来自范德比尔特大学机械工程和耳鼻喉科助理教授Robert Webster就很喜欢喝咖啡，他说，我在办公室里放了一部咖啡机，每天都会来上那么一杯。

        作为耳鼻喉科的专家，一个与鼻内手术相关的问题，引发了他的兴趣。

鼻内手术的位置往往在颅腔内部，为了准确定位手术的位点，手术过程中会采用先进的定位导航系统，帮助医生准确的完成手术。

        在手术前，会在头部固定一个基准点，然后一个特殊的扫描仪会用来绘制基于这个点位置的相关头部特征图像：这个过程称为注册。在手术过程中，当外科医生重新定位时，在头部上方的摄像头会观察基准点的位置，使得导航系统能够精确追踪患者头部的位置。CT扫描能够给出患者头部深藏的骨骼和软组织的三维细节，计算机会将这些信息与CT扫描的结果相结合，并将正在进行手术的器械位置实时显示在手术室的监视器上。

在头部上方的摄像头会观察基准点的位置（来源：范德比尔特大学）

听起来，这样的先进导航系统非常精准，应该万无一失了，但是事实上并非如此。

它有的时候很准确，有的时候不准确

        “这些都是非常精细的手术，而且复杂的图像制导系统为了能够辅助手术而被开发出来，但是他们并不信任这个系统，因为，” Robert Webster说：“当我们听说了这个事情时，我们开始想知道是什么导致了这些错误，我们决定要调查一下。”

导航系统之所以出现错误并不是由于导航系统的硬件和软件导致了问题，而是贴合在患者头部的标记的方式导致了这样的结果。

        当Webster和他的研究团队深入了解了事件之后，他们很惊讶自己发现的问题。典型的“基准标记”是由一块弹性头巾和双侧的支撑带贴合在头部，但是，这样的标记方式在手术过程中由于皮肤运动和意外碰撞都会产生滑动，使得基准标记产生了偏差。

        “基本的假设就是，在注册之后，患者头部和基准标记的空间位置保持不变，” 研究生Patrick Wellborn表示，“不幸的是，事实并非如此。首先，研究表明患者额头的皮肤可以与头骨有相对半英寸的移动范围，而偶然的碰撞和扯动到头带的连接线也可以产生显著的定位错误。”

航系统产生2mm的定位偏差，在7例中就会发生一例，

        此前有研究发现，即使在一切都非常顺利的情况下，导定位偏差更大时将迫使医生在手术中重新进行注册操作。

        项目的联合参与人，耳鼻喉科助理教授Paul Russell指出，“事实上，我们可以解决这个问题，那就是钻孔将标记直接定位在头骨上，但是我们并不想这么做，因为这样患者会很痛苦而且这是让我们所做的事情在退步。”

        确实如此。有没有更好的非侵入式的定位方法呢?团队开始了思考。

        也许，Webster在思考这个问题的时侯为自己冲了一杯咖啡，于是，咖啡成了后面故事的主角。

研磨咖啡真空包装后，会变成硬硬的咖啡砖，有很固定的形状。当开启包装，空气进入后，它又从咖啡砖变成了松散的咖啡颗粒。

研究人员通过咖啡渣来帮助机器人抓取物体。

        于是Webster回想起自己曾看过一项实验，在气囊内充满咖啡渣，内置在机器人的抓取夹子中，当抓取物体时，气囊会根据物体的形状变形，当空气抽走后，咖啡渣变得坚硬，将物体牢牢的锁定住。

研究人员决定用这个方法尝试一下，能否用咖啡渣解决头带定位难的问题。

过去的三年里，研究人员进行了一系列的设计。

        他们开始用包裹了咖啡渣的袋子放在头带的两鬓位置，关联了可以用来抽真空的导管。测试后发现，这个还很粗糙的模型已经可以。这是个让人振奋的事情，但是研究人员是不会因此就满足的。

这让我们想到了泳帽这个点子

        Wellborn与另一个研究生Richard Hendrick进行了头脑风暴讨论会。他的前辈留下的材料中有一个乳胶帽。“这引发了我们做帽子的想法。我们想要一些有弹性的东西，形成适合的形状，，” Wellborn回忆当时的情况。

        于是，新的设计诞生了。它像泳帽一样是有弹性的，能够很好的贴合头部的形状，里面充满了咖啡渣，后面有用于抽真空的管子。

        还有另一个好处是，之前的头带设计只能够有三个电极形成一个三角形的基准标记;新的帽式设计，内部可以放几十个定位标记连接到帽子。研究人员相信这有助于更好的改善导航系统的精确度。

        患者佩戴时，帽子可以很好的贴合头部的形状;当真空开启后，帽内的颗粒会使得帽子变得坚硬起来，很好的固定在头部。

研究团队为了研究它的功能究竟如何设计了三个测试，并与现有的头带的定位错误进行比较：

定位错误减少83%

        他们用内部充满塑料颗粒的网球从各种方向对它们分别进行碰撞。他们发现帽式相对于带式定位能够将。

超出了76%

        他们用4到6磅的力从不同的方向，模仿扯到电线或者其他仪器的偶然牵扯。帽式设计比带式设计表现，而对于基准标记来说，这一。

定位错误减少了66%

        他们还请有经验的外科医生来进行重新定位测试，对重新定位进行6-7次。在这个项目中，帽子比头带的。

        “这是一个非常聪明的方式，不涉及在患者的头骨钻洞，还大大提高导航系统的精度。” Russell说。

        咖啡渣能够成为头部GPS准确定位的关键因素，科学家们的横向思维果然不一般，但是，这的确是个非常棒的发明，毕竟咖啡和泳帽的成本不会太高昂，而且这么实用有效。

        希望科学家们在喝咖啡的时候能够获得更多的灵感，为人们带来更好的发明。

        参考资料：

        [1] How six cups of ground coffee canimprove nose, throat surgery

        [2] Coffee Helmet for Better Nose andThroat Surgery