一、背景与问题概述

本部分主要内容包括医疗机器人的设计、实现与评估等几方面，正如导航系统可以辅助完成一个或一个以上的简单或复杂的目标物体的定位，比如器械、传感器、假肢、器官（如一块骨头碎片）等。除了机器人本身和它的不同软硬件外，这个系统中还有两个基本的要素：医生和患者。交互控制的类型虽然多种多样，但在每一种情况下，建立术前规划、术中患者于辅助手术机器人三者之间必要的联系是必不可少的。术前规划值得是手术前根据手术机器人三者之间必要的联系是必不可少的。术前规划指的是手术前根据 患者的模型或数据做好的手术规划。这在远程手术中体现得尤为明显，远程手术中三者之间的联系是被医生建立起来的。在其他情况下，准确地建立三者间的联系也是非常必要的。本文介绍了手术器械和概念，从而使读者能够建立起那些参考坐标系之间的相互关系，同时也了解目前产品的发展水平。

二、配准、校准和追踪的概念

这部分的主要目的是介绍与建立参考坐标系相关的基本概念。

最初出现在图像处理的概念中的，图像配准包含了确定两个参考坐标系之间的几何变换关系，这种变换可能是刚性的或者非刚性的，其中介绍了从一个参考坐标系到另一个参考坐标系进行变换的多种多样的复杂转化信息。

下面，我们主要关注几个重要的参考坐标系，在这些参考坐标系中，导航系统可以对其信息进行处理并显示出来。

（1）Rplanning：手术规划坐标系。

（2）Rtool：机器人的工具坐标系。这个坐标系本身是通过机械结构的运动学模型而定义的，与机器人坐标系Rrobot相关。

（3）Rintra_op(1)：与术中传感器相关的坐标系。

这里没有提及患者坐标系Rpatient，是因为只有通过传感器获得的数据显示患者位置或手术规划中的目标组织器官时，才会设计患者坐标系。机器人配准包括实现在机器人坐标系所确定的工具坐标系中完成术前规划坐标系中规划的任务。如果可能的话，机器人在完成某个特定的任务中会用到1~2术中传感器。一旦这些坐标系之间建立了某种不变的物理联系，就可以通过校准一次性地最终确定它们之间的相互关系，通过这样的校准，某一个目标物体就可以在两个坐标系中表示出来。追踪是确定对时间变化的关系，可以通过特殊的设备实现，也可以利用实时处理术中数据的方式来实现。通常来说，在一般的应用中，一系列的转化应该是通过不同的方法得到的，比如图像配准、校准和追踪。机器人配准包括实现在机器人坐标系所确定的工具坐标系中完成术前规划的任务。追踪是确定随时间变化的关系，可以通过特殊的设备实现，也可以利用实时处理术中的数据的方式来实现。

三、术中传感器

正如之前提到的，所要处理的那些信息可能来自模型或图谱，因此这些信息包括可以前一类或一群患者的信息，然而通常情况下，这些信息更多采用的而不同类型的术中传感器。这些传感器从原理和所生成信息的维数上分为：密集的一维、两维、三维或分散的三维或思维传感器。但是我们可以根据手术规划或者计算机辅助医疗手术系统的需求缩小术中传感器的种类范围。

（一）成像传感器

介入手术中通常会用到一些常规的术前成像传感器。比如X射线CT扫描仪或MRI。两者无论是否有机器人辅助的情况下，均能提供基于某方向成像仪、内视镜、显微镜等、在这个坐标系中，用过可视化的器官和器械成像，可以确定其相对位置，进而通过控制机器人位姿来实现手术任务。这种术中成像系统基于不同的物理现象。最近其他类型的术中成像也开始崭露头角，如术中探针核成像、荧光成像、超声弹性成像等。这些成像方法在CAMI应用方面同样有着巨大的潜力，但是就我们目前所掌握的知识而言，尚无法实现其实际应用。

（二）位置传感器

在计算机辅助手术中，专门引入位置传感器主要是为了实时了解移动靶标的位置和方向。目前有以下几种不同的定位方法，如被动铰接式手臂、光学定位系统、磁定位系统、超声定位系统等。从发展历史来看，带编码的铰接式手臂首先应用在外科神经手术中，用于确定手臂末端手术器械的位置。然而通过机械手臂仅仅能定位一个靶点，还可能是操作空间变得杂乱；当手臂通过机械手臂仅仅能定位一中，用于确定手臂末端手术器械的位置。然而通过机械手臂仅仅能定位一个靶点，还可能是操作空间变得受限，所以可测量空间受到限制。光学传感器设计目前为止应用最为广泛的，它基于两个或三个摄像头，并允许标记点放置在一个或多个物体上。这些标记点可以是主动的，也可以是被动的。

（三）表面传感器

表面传感器是一种专门用于获得物体外部特征信息的传感器，其主要有两种类型：接触式和非接触式传感器。虽然将定位仪放在第一类，但事实上，一些产品能定位空间中的某一点，从而就能保持静止不动的患者的表面数字化，这就可以在手术过程中确定患者的位置，通过触诊患者脸上表面的某个地方，可以与CT数据边界划分出的骨头表面进行配准。

第二类传感器是基于可移动激光、摩尔投影和纹理预测技术的传感器。传感器提供的信息在传感器坐标系通过三维点云集的形式呈现，或者通过差值运算在同样的坐标系中得到连续的表面表示。

（四）其他传感器

目前，术中传感器已经被用于手术中获得特定的信息，该技术使得术中手术规划得更加精准。在格勒诺布尔实验室研制的充气导管使得膝盖关节内压力成型手术中韧带的平衡控制成为可能，并使得膝盖运动期间的关节内压力的测量得以实现。

四、讨论和总结

本文中，介绍了一些医疗机器人中已经应用的经典方法。从参考系的复杂关联的层面来看，一种或几种方法选择首先依靠信息的可用性，获取信息的条件明显地取决于临床的应用，它决定需要的精度、鲁棒性、手术时创伤还是无创伤，以及手术时间、操作人员的使用情况等。因此就需要彻底研究每一个临床问题，并且为了在临床上加以应用，必须提出适合的方案，进行认真的估计。