來自範德比爾特大學機械工程和耳鼻喉科助理教授Robert Webster就很喜歡喝咖啡，他說，我在辦公室裏放了一部咖啡機，每天都會來上那麼一杯。

        作為耳鼻喉科的專家，一個與鼻內手術相關的問題，引發了他的興趣。

鼻內手術的位置往往在顱腔內部，為了準確定位手術的位點，手術過程中會采用先進的定位導航係統，幫助醫生準確的完成手術。

        在手術前，會在頭部固定一個基準點，然後一個特殊的掃描儀會用來繪製基於這個點位置的相關頭部特征圖像：這個過程稱為注冊。在手術過程中，當外科醫生重新定位時，在頭部上方的攝像頭會觀察基準點的位置，使得導航係統能夠精確追蹤患者頭部的位置。CT掃描能夠給出患者頭部深藏的骨骼和軟組織的三維細節，計算機會將這些信息與CT掃描的結果相結合，並將正在進行手術的器械位置實時顯示在手術室的監視器上。

在頭部上方的攝像頭會觀察基準點的位置（來源：範德比爾特大學）

聽起來，這樣的先進導航係統非常精準，應該萬無一失了，但是事實上並非如此。

它有的時候很準確，有的時候不準確

        “這些都是非常精細的手術，而且複雜的圖像製導係統為了能夠輔助手術而被開發出來，但是他們並不信任這個係統，因為，” Robert Webster說：“當我們聽說了這個事情時，我們開始想知道是什麼導致了這些錯誤，我們決定要調查一下。”

導航係統之所以出現錯誤並不是由於導航係統的硬件和軟件導致了問題，而是貼合在患者頭部的標記的方式導致了這樣的結果。

        當Webster和他的研究團隊深入了解了事件之後，他們很驚訝自己發現的問題。典型的“基準標記”是由一塊彈性頭巾和雙側的支撐帶貼合在頭部，但是，這樣的標記方式在手術過程中由於皮膚運動和意外碰撞都會產生滑動，使得基準標記產生了偏差。

        “基本的假設就是，在注冊之後，患者頭部和基準標記的空間位置保持不變，” 研究生Patrick Wellborn表示，“不幸的是，事實並非如此。首先，研究表明患者額頭的皮膚可以與頭骨有相對半英寸的移動範圍，而偶然的碰撞和扯動到頭帶的連接線也可以產生顯著的定位錯誤。”

航係統產生2mm的定位偏差，在7例中就會發生一例，

        此前有研究發現，即使在一切都非常順利的情況下，導定位偏差更大時將迫使醫生在手術中重新進行注冊操作。

        項目的聯合參與人，耳鼻喉科助理教授Paul Russell指出，“事實上，我們可以解決這個問題，那就是鑽孔將標記直接定位在頭骨上，但是我們並不想這麼做，因為這樣患者會很痛苦而且這是讓我們所做的事情在退步。”

        確實如此。有沒有更好的非侵入式的定位方法呢?團隊開始了思考。

        也許，Webster在思考這個問題的時侯為自己衝了一杯咖啡，於是，咖啡成了後麵故事的主角。

研磨咖啡真空包裝後，會變成硬硬的咖啡磚，有很固定的形狀。當開啟包裝，空氣進入後，它又從咖啡磚變成了鬆散的咖啡顆粒。

研究人員通過咖啡渣來幫助機器人抓取物體。

        於是Webster回想起自己曾看過一項實驗，在氣囊內充滿咖啡渣，內置在機器人的抓取夾子中，當抓取物體時，氣囊會根據物體的形狀變形，當空氣抽走後，咖啡渣變得堅硬，將物體牢牢的鎖定住。

研究人員決定用這個方法嚐試一下，能否用咖啡渣解決頭帶定位難的問題。

過去的三年裏，研究人員進行了一係列的設計。

        他們開始用包裹了咖啡渣的袋子放在頭帶的兩鬢位置，關聯了可以用來抽真空的導管。測試後發現，這個還很粗糙的模型已經可以。這是個讓人振奮的事情，但是研究人員是不會因此就滿足的。

這讓我們想到了泳帽這個點子

        Wellborn與另一個研究生Richard Hendrick進行了頭腦風暴討論會。他的前輩留下的材料中有一個乳膠帽。“這引發了我們做帽子的想法。我們想要一些有彈性的東西，形成適合的形狀，，” Wellborn回憶當時的情況。

        於是，新的設計誕生了。它像泳帽一樣是有彈性的，能夠很好的貼合頭部的形狀，裏麵充滿了咖啡渣，後麵有用於抽真空的管子。

        還有另一個好處是，之前的頭帶設計隻能夠有三個電極形成一個三角形的基準標記;新的帽式設計，內部可以放幾十個定位標記連接到帽子。研究人員相信這有助於更好的改善導航係統的精確度。

        患者佩戴時，帽子可以很好的貼合頭部的形狀;當真空開啟後，帽內的顆粒會使得帽子變得堅硬起來，很好的固定在頭部。

研究團隊為了研究它的功能究竟如何設計了三個測試，並與現有的頭帶的定位錯誤進行比較：

定位錯誤減少83%

        他們用內部充滿塑料顆粒的網球從各種方向對它們分別進行碰撞。他們發現帽式相對於帶式定位能夠將。

超出了76%

        他們用4到6磅的力從不同的方向，模仿扯到電線或者其他儀器的偶然牽扯。帽式設計比帶式設計表現，而對於基準標記來說，這一。

定位錯誤減少了66%

        他們還請有經驗的外科醫生來進行重新定位測試，對重新定位進行6-7次。在這個項目中，帽子比頭帶的。

        “這是一個非常聰明的方式，不涉及在患者的頭骨鑽洞，還大大提高導航係統的精度。” Russell說。

        咖啡渣能夠成為頭部GPS準確定位的關鍵因素，科學家們的橫向思維果然不一般，但是，這的確是個非常棒的發明，畢竟咖啡和泳帽的成本不會太高昂，而且這麼實用有效。

        希望科學家們在喝咖啡的時候能夠獲得更多的靈感，為人們帶來更好的發明。

        參考資料：

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

        [2] Coffee Helmet for Better Nose andThroat Surgery