手術(shù)導(dǎo)航的系統(tǒng)組成

         不同的導(dǎo)航系統(tǒng)有不同的毆備，但其中基本的設(shè)備是一致酌。由圖7-3可知， 在醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中，一般而言，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能要求，導(dǎo)航系統(tǒng) 應(yīng)包括以下五大部分：圖像的采集和處理單元、定位信息獲取單元、人機(jī)交互與顯示單元、配準(zhǔn)與空間變換單元、機(jī)器人定位與手術(shù)操作單元。其中前兩者屬系統(tǒng)的原始 信息輸入部分，經(jīng)配準(zhǔn)與空間變換單元進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃并顯示，終可通過(guò)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出。

         （一）多模圖像的采集和處理設(shè)備

         影像醫(yī)學(xué)在近年來(lái)獲得了突b猛進(jìn)的發(fā)展，成像技術(shù)不斷變化創(chuàng)新。這些科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了影像診斷學(xué)的發(fā)展，也推動(dòng)了影像導(dǎo)航外科的發(fā)展。在外科微創(chuàng)手 術(shù)中引人多模醫(yī)學(xué)圖像，為更準(zhǔn)確地進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航提供了非常豐富的數(shù)據(jù)信息。 根據(jù)不同手術(shù)環(huán)境以及手術(shù)適應(yīng)證的要求，可采用的圖像信息包括CT、MRI等術(shù)前醫(yī)學(xué)圖像，以及X線、超聲、內(nèi)窺鏡等術(shù)中影像，能夠提供病變部位的直觀信息。

         以下是常用的幾種醫(yī)學(xué)圖像。

         (l)計(jì)算機(jī)X線斷層攝影。

         CT利用X線束對(duì)人體的某一部分按一定厚度的層面進(jìn) 行掃描。因?yàn)槿梭w各種組織的疏密程度不同，所以探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度存在差異。 將所檢測(cè)的有穿透差異的射線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，輸出顯示為斷面圖像。CT的圖像質(zhì)量、精度高，對(duì)骨骼組織±L有較好的顯示效果。目前C設(shè)備大量用于外科的診斷和導(dǎo)航。但設(shè)備體積較大，價(jià)格較貴，且不便沒(méi)于手術(shù)室內(nèi)進(jìn)行 術(shù)中導(dǎo)航。

         (2)核磁共振成像。

         由于氫原子的原子核如同是一個(gè)微型磁鐵，因此人體內(nèi)不同 物質(zhì)、組織或器官彼此之問(wèn)所含的氫原子核密度皆不相同。MRI通過(guò)測(cè)量特定磁場(chǎng)中 人體內(nèi)氫原子核的磁矩變化并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，形成不同物質(zhì)、組織或器官的灰階影像對(duì)比分布圖。MRI同樣是斷層切面影像，分辨率高、信息量大，對(duì)于軟組織的顯示效果好。與CT類(lèi)似，設(shè)備體積較大，價(jià)格昂貴，不便設(shè)于手術(shù)室內(nèi)進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航。

         (3)X線透視。

         X射線可以清晰地再現(xiàn)人體骨骼的狀況，非常適用于骨科手術(shù)。在骨科中通常采用C臂，其發(fā)射端與接收端相對(duì)，通過(guò)調(diào)整C臂位置和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可針 對(duì)不同手術(shù)需要采集人體各部位在不同體位的幽像。C臂可以近乎實(shí)時(shí)地苒現(xiàn)手術(shù)狀 況，而且移動(dòng)方便，成本相對(duì)較低，是骨科微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的圖像采集工具。

         (4)超聲成像。

         超聲圖像多適用于液體結(jié)構(gòu)或?yàn)橐后w結(jié)構(gòu)所環(huán)繞臟器的成像。超聲設(shè)備尺寸小，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集方便，價(jià)格便宜，對(duì)人體傷害小，可以清晰 直觀地再現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)和裘I酊形態(tài)。但從口前研究來(lái)看，圖像的精度還不是很高。 另外根據(jù)手術(shù)部位以及適應(yīng)證的不同，還可以使用PET、DSA等醫(yī)學(xué)圖像。

         （二）定位系統(tǒng)

         定位技術(shù)是導(dǎo)航的關(guān)鍵，可提供手術(shù)部位與手術(shù)器械的相對(duì)位簧關(guān)系，解決手術(shù)過(guò)程中手術(shù)目標(biāo)的位置測(cè)量、空間映射、手術(shù)干預(yù)和定位精度等問(wèn)題。在骨科微創(chuàng)手 術(shù)中，包含三種坐標(biāo)系：手術(shù)奪間坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和導(dǎo)航工具坐標(biāo)系。定位系統(tǒng) 的功能就是將這三種坐標(biāo)系映射起來(lái)，確定手術(shù)區(qū)域中目標(biāo)點(diǎn)和手術(shù)器械的空間位置。 其精度剝于手術(shù)導(dǎo)航的精度影響很大，直接關(guān)系到導(dǎo)航手術(shù)的成敗。 
         隨著科技的不斷發(fā)展，很多高新技術(shù)被引入導(dǎo)航外科領(lǐng)域，根據(jù)所用定位方法的不同，現(xiàn)有導(dǎo)航定位方法主要是光學(xué)定位法、機(jī)械定位法、超聲定位法和電磁定位法。 而臨床中為常用的是光電定位方式，這也是日前精確度高的方法。機(jī)械定位則是 早引入外科導(dǎo)航領(lǐng)域的方法，早期多采用數(shù)宇機(jī)械臂，盡管占用手術(shù)空間，醫(yī)生操作不夠自如，但仍因其良好的穩(wěn)定性和精確性而得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)與機(jī)電控 制技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，機(jī)械定位方式已得到進(jìn)一步發(fā)展，可幫助醫(yī)生完成部分手術(shù)操作。超聲波定位和電磁定位一般由超聲或磁場(chǎng)發(fā)射器和接受器組成，根據(jù)接收信息的強(qiáng)度和相位計(jì)算出空間位置和方向。實(shí)際應(yīng)用中為彌補(bǔ)各自不足，可采用組合定位法。

         1．光學(xué)定位法
         光學(xué)定位方法是用至少兩個(gè)攝像機(jī)觀察目標(biāo)的自然表面或特征點(diǎn)，并列至少兩幅 圖像上相同的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，然后利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理得到這些點(diǎn)的三維位置，從 而獲得被測(cè)物的三維位置關(guān)系。光學(xué)定位系統(tǒng)包括跟蹤器和同標(biāo)點(diǎn)，其中目標(biāo)點(diǎn)采用系統(tǒng)易于識(shí)別的物體，而跟蹤器的作用是采集這些目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)識(shí)別并計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。
         實(shí)用系統(tǒng)中一般采用多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，井以一定規(guī)則排列形成空間坐標(biāo)系，在手術(shù)器械和手術(shù)對(duì)象上按一定規(guī)則安裝這此Fl標(biāo)點(diǎn)， 從而由這些目標(biāo)點(diǎn)位置可計(jì)算得到手術(shù)器械或手術(shù)對(duì)象的卒間位置和姿態(tài)信息。 根據(jù)所跟蹤目標(biāo)點(diǎn)的發(fā)光與否，可以將光電定化系統(tǒng)分成主動(dòng)和被動(dòng)兩種光學(xué)定位方法。

         (1)主動(dòng)光學(xué)定位系統(tǒng)。
         采用紅外發(fā)光二極管作為目標(biāo)點(diǎn)，跟蹤器多采用三個(gè)以 上的光電傳感器，追蹤定位紅外發(fā)光二極管位置。將若干相對(duì)位置固定的紅外發(fā)光二極管同時(shí)安裝于定位工具上，系統(tǒng)由此可實(shí)時(shí)計(jì)算得到該定位工具的宅間位置和姿態(tài)。 手術(shù)過(guò)程中，在手術(shù)器械和手術(shù)部位上分別同連一個(gè)定位工具，則系統(tǒng)可根據(jù)紅外發(fā) 光點(diǎn)的空間位置，計(jì)算手術(shù)器械相對(duì)于手術(shù)部位的位置和姿態(tài)，再映射至圖像坐標(biāo)系 中并顯示到屏幕上，指導(dǎo)醫(yī)生完成手術(shù)操作。該系統(tǒng)具有定位精度高、處理靈活昀優(yōu) 點(diǎn)，但接收裝置在術(shù)中可能被醫(yī)生或器械遮擋，帶來(lái)定位問(wèn)題，而EL這種設(shè)備價(jià)格相 對(duì)較高。

         (2)被動(dòng)光學(xué)定位系統(tǒng)。

         使用反射標(biāo)志物作為li標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)術(shù)身不發(fā)光。由兩 個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)對(duì)依一定規(guī)則排列的若干目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀察，目標(biāo)點(diǎn)反射光線并成像至 CCD傳感器中，系統(tǒng)對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行識(shí)別和處理，以確定目標(biāo)點(diǎn)在空間的位置。將標(biāo)志物安裝在定位工具上，即可計(jì)算得到該定位工具的位囂和姿態(tài)。在手術(shù)器械和手術(shù)部位上分別固連一個(gè)定位工具，便可推算出于術(shù)器械相對(duì)于手術(shù)部位的位置和姿態(tài)。 
         由于被動(dòng)光學(xué)定位法需進(jìn)行模式識(shí)別，所以圖像質(zhì)量和模板匹配精度都會(huì)影響系統(tǒng)的 精度。 2機(jī)械定位法 機(jī)械定位是早應(yīng)用到計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航中的方法。機(jī)器人一般采用多自由度 機(jī)械臂（為使其具有足夠靈活性，一般都有五個(gè)以上的自由度），機(jī)械臂前端可安裝各種手術(shù)器械。早采用被動(dòng)式機(jī)械臂，由醫(yī)生手持其前端帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，各關(guān)
節(jié)編碼器記錄該位置關(guān)節(jié)參數(shù)，從而可通過(guò)機(jī)械臂模型和關(guān)節(jié)參數(shù)計(jì)算得到手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)。目前則多采用主動(dòng)式機(jī)器人，可通過(guò)編程和自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)其T作 空間中的點(diǎn)定位、路徑規(guī)劃以及運(yùn)行軌跡。
         在機(jī)器人到達(dá)所需位置并鎖走后，在保持定位位姿的同時(shí)可承受一定的負(fù)載，而且不會(huì)產(chǎn)生疲勞，從而有效解決醫(yī)生手持手術(shù) 器械時(shí)可能產(chǎn)生的抖動(dòng)問(wèn)題，提高手術(shù)安全性，但由于機(jī)器人占用…定空間，對(duì)手術(shù)操作需進(jìn)行合理安排。 通用性機(jī)械臂形狀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與手術(shù)環(huán)境適應(yīng)性較差，價(jià)格較貴.

         因此，根據(jù)具體的手術(shù)環(huán)境和特點(diǎn)，還出現(xiàn)了各種專(zhuān)用定位機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)導(dǎo)航定位 是簡(jiǎn)化了的機(jī)器人定位系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位任務(wù)單一，精度較高日價(jià)格便宜。它只完成手術(shù)中的某一個(gè)具體的導(dǎo)航定位動(dòng)作，因此所需自巾度較少系統(tǒng)可以將醫(yī)生規(guī)劃的手術(shù)路徑映射為機(jī)構(gòu)的空間坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)定位。以這種機(jī)構(gòu)作為醫(yī)生的手術(shù)平臺(tái)，可對(duì)醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作進(jìn)行導(dǎo)航，使醫(yī)生快速方便地完成手術(shù)操 作。 
         通常情況下，機(jī)器人在確定末端點(diǎn)位置后會(huì)進(jìn)行鎖定，而手術(shù)過(guò)程中手術(shù)對(duì)象的 位置可能有微小位移，這樣增加了手術(shù)精度的不確定性。為減小該誤差，可借助其他手段實(shí)時(shí)檢測(cè)手術(shù)對(duì)象的位置，機(jī)器人根據(jù)位置變化信息進(jìn)行伺服。

         3.電磁定位

         電磁定位方法類(lèi)似f有源光電定位，其原理如下：系統(tǒng)包括發(fā)射源和接收源，分別為三軸線圈和三軸傳感器，每一電磁線圈定義一個(gè)空間方向，于是三個(gè)線圈可確定 三個(gè)空間方向，然后再根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系確定其空間位置。在手術(shù)環(huán)境中，可在手術(shù)臺(tái)下安置一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，磁場(chǎng)覆蓋整個(gè)手術(shù)區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)器所接收目標(biāo)點(diǎn)磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度和相位，由此解算出其空間相對(duì)位置和方向。 電磁定位系統(tǒng)定位精度較高，且無(wú)遮擋問(wèn)題，所以醫(yī)生的活動(dòng)空間范圍和操作便利性比光電定位有改進(jìn)。電磁定位系統(tǒng)的精度一般為3mm。但該系統(tǒng)磁場(chǎng)對(duì)工作空間中任何金屬物體的引入都很敏感，有可能影響到定位的精確性，這在手術(shù)室中是不可 回避的問(wèn)題。

         4．超聲波定位
         超聲波定位法曲原理就是超聲測(cè)距。這類(lèi)系統(tǒng)也包括發(fā)射器和接收器，記錄聲波在發(fā)生器和接收器之間的傳播時(shí)間，計(jì)算發(fā)射器和接收器的相對(duì)距離。在手術(shù)器械上 放置至少三個(gè)超聲波發(fā)射器，通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間計(jì)算發(fā)射器與接收器間的距離，根據(jù)接受器的相對(duì)位置來(lái)確定發(fā)射器即日標(biāo)點(diǎn)的位置，從而計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。但溫度、空氣非均勻性等可能對(duì)超聲波定位精確性產(chǎn)生影響。

         （三）空間配準(zhǔn)模塊 
         為使外科醫(yī)生能夠通過(guò)多個(gè)模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像了解患者的內(nèi)部狀況，確定手術(shù)方案，并結(jié)合術(shù)中的定位信息精確地執(zhí)行手術(shù)計(jì)劃并操作手術(shù)器械，使手術(shù)向空間定位精確 和微創(chuàng)的方向發(fā)展，需要在前述圖像空間（虛擬環(huán)境）與手術(shù)定位空間（現(xiàn)實(shí)環(huán)境） 兩部分之間必須有一個(gè)聯(lián)結(jié)的橋梁，使得醫(yī)學(xué)圖像中所提供信息與導(dǎo)航定位信息相互 匹配，同時(shí)將圖像空間、手術(shù)定位空問(wèn)與手術(shù)對(duì)象聯(lián)系起來(lái)，為準(zhǔn)確手術(shù)定位打下良 好的基礎(chǔ)。這就需要進(jìn)行配準(zhǔn)，即獲得前述基本概念部分中所述坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 為充分利用互為補(bǔ)充的斷層圖像信息（CT、MRI）和術(shù)中圖像信息（X- ray、US等）以及功能圖像信息（PET等），多模醫(yī)學(xué)圖像之間也需要配準(zhǔn)。

         因此配準(zhǔn)實(shí)際上包含兩 類(lèi)：定位系統(tǒng)空間與醫(yī)學(xué)圖像空間的酡準(zhǔn)、醫(yī)學(xué)圖像之間的配準(zhǔn)。

         1.定位系統(tǒng)空間與醫(yī)學(xué)圖像空間的配準(zhǔn)其配準(zhǔn)精度對(duì)手術(shù)定位準(zhǔn)確性具有直接影響。由于兩個(gè)空間沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，一般 通過(guò)手術(shù)對(duì)象作為“中轉(zhuǎn)站”，分別提取同一手術(shù)對(duì)象在醫(yī)學(xué)圖像空間和定位空間的位置信息，即可推算醫(yī)學(xué)圖像空間和定位空間的相互映射關(guān)系。
         實(shí)用系統(tǒng)中為使得手術(shù) 對(duì)象在不同空間的位置比較明確，一般通過(guò)人工外加的固定物或者解剖特征等具有明 確位置的標(biāo)記點(diǎn)作為“橋梁”，建立兩坐標(biāo)系之問(wèn)的映射。 標(biāo)記點(diǎn)可為外加固定物，須與手術(shù)部位保持剛性連接，如貼于病人頭部或者與骨 骼固定，以確保其與手術(shù)部位坐標(biāo)系的一致性。但這種方法多數(shù)期情況下可能帶來(lái)額 外創(chuàng)傷，因此也有系統(tǒng)采用解剖特征作為標(biāo)記，如脊柱的棘突等。標(biāo)記點(diǎn)設(shè)定為需按 照一定次序進(jìn)行選取。目前自動(dòng)拾取標(biāo)記點(diǎn)有一定難度，多為手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。分別在圖像空間和手術(shù)定位空間獲取得到各自的三維坐標(biāo)數(shù)值，系統(tǒng)即可計(jì)算得到兩組點(diǎn)集之間
的坐標(biāo)變換參數(shù)。

         2.多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像之問(wèn)的配準(zhǔn)
         醫(yī)學(xué)成像技術(shù)給臨床醫(yī)學(xué)提供了X線、超聲、DSA、CT、MRI、PET、SPECT等形態(tài)和功能的影像信息，在實(shí)際的臨床診斷和治療中，患者經(jīng)常同時(shí)進(jìn)行多種斷層影像 模式的檢查，以提供對(duì)研究部位互為補(bǔ)充的形態(tài)信息和功能信息。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)就是 用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)使各種影像模式統(tǒng)一在一個(gè)公共坐標(biāo)系里，并融合成一個(gè)新的 影像模式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，加強(qiáng)感興趣部位的顯示效果，有助于臨床診斷。 
         與定位系統(tǒng)空間與醫(yī)學(xué)圖像空間的配準(zhǔn)相同，也需要提取不同圖保巾的特征信息 作為配準(zhǔn)的基準(zhǔn)，目前多采用標(biāo)記點(diǎn)作為特征，提取其空曰位置以進(jìn)行匹配：多模態(tài) 醫(yī)學(xué)圖像之間的配準(zhǔn)包括以下幾種方法：外加標(biāo)志物的配準(zhǔn)、基于灰度的配準(zhǔn)、基于 特征的配準(zhǔn)等。

         （四）人機(jī)交互與顯示單元
         人機(jī)交互系統(tǒng)是醫(yī)生獲取圖像以及手術(shù)信息并通過(guò)導(dǎo)航或機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行操作的 “界面”，在術(shù)前將影像提供給顯示單元，醫(yī)生由醫(yī)學(xué)圖像了解手術(shù)部位解剖信息之后，即可根據(jù)手術(shù)適應(yīng)證需要進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，確定手術(shù)人路，同時(shí)根據(jù)需要突出顯示手術(shù) 或病變部位區(qū)域，并在真正手術(shù)之前進(jìn)行手術(shù)模擬，以提高手術(shù)安全性。

交互與顯示系統(tǒng)的主要功能包括：

         1.手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航

         術(shù)前規(guī)劃合理手術(shù)路徑以避開(kāi)重要組織，術(shù)中顯示規(guī)劃路徑、病變或手術(shù)部位以 及手術(shù)器械的實(shí)時(shí)位置。經(jīng)配準(zhǔn)之后，在圖像上即可精確地確定人體組織和手術(shù)器械 之間的相對(duì)位置，為醫(yī)生提供更豐富的信息。

         2.選取標(biāo)記點(diǎn)

         為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位或配準(zhǔn)功能，在自動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)提取不易實(shí)現(xiàn)的情況下，則需要由醫(yī) 生在圖像上交互選取標(biāo)記點(diǎn)并計(jì)算其位置。選點(diǎn)的精度對(duì)終定位或配準(zhǔn)精度有較大 的影響。

         3.手術(shù)部位分割顯示
         可通過(guò)以下兩種方法提?。鹤詣?dòng)提取與手工勾畫(huà)。自動(dòng)提取需針對(duì)不I司類(lèi)別圖像 采用特定的算法將手術(shù)或病變部位捉取并顯示出來(lái)。這種方法在特定的條件下能選到佳的效果，但難以適用于所確的應(yīng)用，在某地情況下甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)果。手工 勾畫(huà)則是由醫(yī)生通過(guò)鼠標(biāo)等交互設(shè)備勾勒出所需部位的輪廓，但由于需手工操作，比較耗費(fèi)時(shí)間。不論自動(dòng)分割還是手動(dòng)勾畫(huà)，均應(yīng)在醫(yī)生監(jiān)督下進(jìn)行，以確保結(jié)果的正確性。

         4.手術(shù)模擬
         計(jì)算機(jī)手術(shù)模擬是指通過(guò)人機(jī)交互在計(jì)算機(jī)上模擬手術(shù)過(guò)程，計(jì)算并模擬顯示手術(shù)的結(jié)果，而交互技術(shù)始終是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于原始醫(yī)學(xué)圖像常規(guī)所得為二維斷層圖像，借助于蹶學(xué)圖像二維可視化技術(shù)，可以顯示三維物體表面及任意剖面的信 息。借助于逼真的三維可視圖像，外科醫(yī)生對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)從任意角度進(jìn)行觀察，進(jìn)行水前模擬、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后評(píng)價(jià)。

         從硬件設(shè)備角度，人機(jī)交互與皿示單元町劃分為兩部分。

         1.顯不單元主要通過(guò)J并幕顯示所采集醫(yī)學(xué)圖像、霓構(gòu)三維圖像、術(shù)中各斷面投影圖像、定位 信息、手術(shù)規(guī)劃以及病變部位信息。常見(jiàn)設(shè)備包括圖形工作站、頭盔顯示器等。

         2.手術(shù)交互單元
         模擬手術(shù)需要三維空問(wèn)交互，系統(tǒng)應(yīng)允許用戶(hù)直接在三維空間指定位置和方向，而三維交互手段相對(duì)而言較為復(fù)雜，而且交互過(guò)程必須考慮到手術(shù)本身的復(fù)雜性和精 確性。

         目前所采用的三維交互主要有三種方案：

         (1)傳感器反饋。利用前述定位設(shè)備獲取信息，并映射到醫(yī)學(xué)閉像坐標(biāo)系中，將該定值信息反饋至醫(yī)學(xué)圖像中在圖形工作站上顯示。當(dāng)操作過(guò)程中，所顯示的手術(shù)器械位置與規(guī)劃位置重合時(shí)，醫(yī)牛即可確定凌于術(shù)器械定位準(zhǔn)確。

         (2)通用三維交互設(shè)備。如常規(guī)鍵箍鼠標(biāo)、操作手柄、六維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、力反饋操作戰(zhàn)備等，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，可實(shí)現(xiàn)圖像虛擬空間操作。

         (3)機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先確定的手術(shù)路徑，進(jìn)行手術(shù)定位或操作，在手術(shù)過(guò)程巾，醫(yī)生臨督其每一步動(dòng)作。由于機(jī)器人設(shè)備可作為整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)，這一交互辦案將作為單獨(dú)一部分進(jìn)行介紹。

         （五）機(jī)器人
         在前述定位系統(tǒng)中，機(jī)器人作為導(dǎo)航系統(tǒng)的一種，可提供定位信息并在術(shù)中作為 定位平臺(tái)使用。隨著機(jī)器人智能控制技術(shù)的日漸成熟，機(jī)器人逐漸作為導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出單元，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制和操作控制，提升了醫(yī)療機(jī)器人的自動(dòng)化水平。 機(jī)械式定位方法中已經(jīng)介紹了機(jī)械臂，儀能被動(dòng)反饋定位信息。

         除此之外，目前而向手術(shù)的主動(dòng)式醫(yī)療機(jī)器人主要有兩類(lèi)。

         (1)主動(dòng)定位機(jī)器人。主要利用機(jī)器人定位準(zhǔn)確可靠的優(yōu)勢(shì)，主動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手術(shù)定位。在獲取醫(yī)學(xué)圖像、定位信息并實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)之后，根據(jù)術(shù)前手術(shù)規(guī)劃，由系統(tǒng)根據(jù)智能算法控制機(jī)器人按照所計(jì)算的給定路徑運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需位置和姿態(tài) 后，則停正運(yùn)行并鎖定機(jī)器人，防止機(jī)器人發(fā)生意外運(yùn)動(dòng)。定位完成后，醫(yī)生人即可依照機(jī)器人末端器械所給定路徑實(shí)施于術(shù)操作。

         (2)主從操作機(jī)器人。機(jī)器人采用主從結(jié)構(gòu)，醫(yī)生操作主機(jī)器人，從機(jī)器人則隨主機(jī)器人并依照一定控制率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。于是，從機(jī)器人完成與醫(yī)生相同的操作。這主 要應(yīng)用于手術(shù)動(dòng)作比較復(fù)雜的環(huán)境下，幫助醫(yī)生力便、快捷、高效、精確地完成復(fù)雜的手術(shù)動(dòng)作。

         通過(guò)以上五個(gè)部分，獲取醫(yī)學(xué)圖像、定位信息并實(shí)現(xiàn)雕準(zhǔn)之后，圖像空間和定位系統(tǒng)空間建立相互映射，醫(yī)生通過(guò)交互沒(méi)備在圖像空間進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)方案模擬， 并可將圖像空間中所規(guī)劃手術(shù)方案通過(guò)機(jī)器人中在手術(shù)空間中加以確立。