与传统的开放手术相比,微创手术可明显减小手术切口。但对于微创脊柱外科手术而言,小切口会导致医生术野受限,增加手术难度,因此,尚未大范围推广应用。其主要原因在于以下三方面:透视图像和二维CT图像序列无法直观地反映立体位置关系;术中X射线采集的透视图像是非实时、非连续的,因此缺少患者空间与医学影像空间的连续映射关系;缺少防止椎弓根螺钉偏离期望位置和姿态的安全防护措施。机器人辅助手术导航是结合了医学图像处理、计算机图形、空间配准、空间定位及机器人技术等的一种跨领域新兴手术方式。采用脊柱三维模型等医学影像,体现脊柱立体结构;获取手术器械在医学影像空间的位置和姿态,提供手术器械实时定位信息的同时,降低术中透视频率;保证手术器械在安全范围内运动,减少对患者重要神经和血管的损伤。因此,机器人辅助手术导航可在微创的情况下为医生实时反馈手术器械和脊柱的相对位置姿态。本文针对脊柱微创手术中突出的问题,依次对CT数据可视化建模,自动空间配准,手术器械定位与轨迹规划的方法展开研究:第一,研究基于CT数据的三维重建算法和数字重建放射影像算法。在三维重建中,分析了光线投射算法和移动立方体算法的实现过程,并通过对比上述两种算法与最大密度投影法及等值面算法的渲染效果和效率,确定采用移动立方体算法来重建脊柱。针对重建的模型不包含脊柱内部信息问题,本文通过CT重切面图像与三维模型结合显示来解决该问题。而后,通过数字重建放射影像算法获得类似X射线透视效果的影像,由此既能获得医生习惯使用的透视图像又可减少术中X射线影像设备的使用。第二,研究CT图像与患者空间的自动空间配准方法。首先,在获取CT图像空间特征点位置的过程中,通过基于形态学滤波的伪影校正算法,提高特征提取的精度,并对Hu矩提取边界特征时不变性较差的问题,提出了基于改进不变矩的三维特征点提取算法,由此可获得特征点的精确位置;其次,根据机器人运动学模型和标定模型的机械尺寸,获得患者空间特征点的精确位置;最后,针对最近点迭代算法易陷入局部最优解和传统最小二乘法获得的旋转矩阵非正交的问题,提出了基于旋量一阶导和最小二乘的配准方法,进而通过实验求得空间配准过程的误差为0.49±0.18mm,验证了配准方法的可行性。第三,研究手术器械定位与轨迹规划方法。采用“五点法”完成手术器械标定,获得手术器械末端点在机器人基坐标系的精确位置。深化手术规划中安全距离的概念,即在不影响螺钉评级的前提下螺钉中心线可偏移的最大距离。并以此为基础设计基于速度场的术中实时轨迹规划方法,保证术中手术器械在安全范围内平稳地移动。最后通过自主开发的导航软件系统,完成手术导航系统定位精度实验,其定位误差为1.28±0.41mm,低于手术允许误差1.9mm,验证了导航系统的可行性。由此,术中可实时获得手术器械与脊柱的精确相对位置和姿态,并可直观地实时显示。实现了辅助医生手术的目标,为脊柱微创手术推广奠定了基础。