根据所跟踪目标点的发光与否，可以将光学定位系统分成主动和被动两种光学定位方法。
1）主动光学定位系统
采用红外发光二极管作为目标点，跟踪器多采用三个以上的光电传感器，追踪定位红外发光二极管位置。将若干相对位置固定的红外发光二极管同时安装于定位工具上，系统由此可实时计算得到该定位工具的空间位置和姿态。手术过程中，在手术器械和手术部位上分别同连一个定位工具，则系统可根据红外发光点的空间位置，计算手术器械相对于手术部位的位置和姿态，再映射至图像坐标系中并显示到屏幕上，指导医生完成手术操作。该系统具有定位精度高、处理灵活的优点，但接收装置在术中可能被医生或器械遮挡，带来定位问题，而且这种设备价格相对较高。
2）被动光学定位系统
使用反射标志物作为目标点，目标点本身不发光。由两个或多个摄像机对依照一定规则排列的若干目标点进行观察，目标点反射光线并成像至CCD（chargecoupledevice，电荷耦合元件）传感器中，系统对所拍摄图像进行识别和处理，以确定目标点在空间的位置。将标志物安装在定位工具上，即可计算得到该定位工具的位置和姿态。在手术器械和手术部位上分别固连一个定位工具，便可推算出手术器械相对于手术部位的位置和姿态。由于被动光学定位法需进行模式识别，图像质量和模板匹配精度都会影响系统的精度。
2．机械定位法
机械定位法是最早应用到计算机辅助手术导航中的方法。机器人一般采用多自由度机械臂（为使其具有足够灵活性，一般都有5个以上的自南度），机械臂前端可安装各种手术器械。最早采用的是被动式机械臂，由医生手持其前端带动整个机械臂运动，各关节编码器记录该位置关节参数，从而可通过机械臂模型和关节参数计算得到手术器械的空间位置和姿态；目前则多采用主动式机器人，可通过编程和自动控制实现其工作空间中的点定位、路径规划以及运行轨迹。在机器人到达所需位置并锁定后，在保持定位位姿的同时可承受一定的负载，而且不会产生疲劳，从而有效解决医生手持手术器械时可能产生的抖动问题，提高手术安全性，但由于机器人占用一定空问，对手术操作需进行合理安排。
通用性机械臂形状的机器人结构较为复杂，与手术环境适应性较差，价格较昂贵。因此，根据具体的手术环境和特点，还出现了各种专用定位机构。这种机构导航定位是简化了的机器人定位系统，它的特点是结构简单、定位任务单一、精度较高且价格便宜。它只完成手术中某一个具体的导航定位动作，因此所需自由度较少。系统可以将医生规划的手术路径映射为机构的空间坐标系，从而实现主动定位。以这种机构作为医生的手术平台，可对医生的手术动作进行导航，使医生快速方便地完成手术操作。
通常情况下，机器人在确定末端点位置后会进行锁定，而手术过程中手术对象的位置可能有微小位移，这样就增加了手术精度的不确定性。为减小该误差，可借助其他手段实时检测手术对象的位置，机器人根据位置变化信息进行伺服。
3．电磁定位法
电磁定位法类似于有源光学定位，其原理如下：系统包括发射源和接收源，分别为三轴线圈和三轴传感器，每一电磁线圈定义一个空间方向，于是三个线圈可确定三个空问方向，然后根据相对位置关系确定其空间位置。在手术环境中，可在手术台下安置一个磁场发生器，磁场覆盖整个手术区域，系统根据检测器所接收目标点磁场信号的强度和相位，解算出其空问相对位置和方向。
电磁定位系统定位精度较高，且无遮挡问题，所以医生的活动空间范围和操作便利性比光学定位有所改进。电磁定位系统的精度一般为3mm。但该系统的磁场对工作空间中任何金属物体的引入都很敏感，有可能影响到定位的精确性，这在手术室中是不可回避的问题。
4．超声定位法
超声定位法的原理就是超声测距。这类系统也包括发射器和接收器，记录超声波在发射器和接收器之间的传播时间，计算发射器和接收器的相对距离。在手术器械上放置至少三个超声波发射器，通过测量超声波的传播时间计算发射器与接收器间的距离，根据接收器的相对位置来确定发射器即目标点的位置，从而计算出手术器械的位置和姿态。但温度、空气非均匀性等可能对超声定位的精确性产生影响。
2．1．3配准与空间变换单元
为使外科医生能够通过多个模态医学图像了解患者的内部状况，确定手术方案，并结合术中的定位信息精确地执行手术计划并操作手术器械，使手术向空问定位精确和微创的方向发展，在前述图像空间（虚拟环境）与手术定位空间（现实环境）之间必须有一个联结的桥梁，使得医学图像中所提供信息与导航定位信息相互匹配，同时将图像空间、手术定位空间与手术对象联系起来，为精确的手术定位打下良好的基础。
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