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随着现代医学技术的持续进步,外科手术朝着更加精细和复杂的方向不断发展。受到硬件环境和成本等因素的影响,国内很多医院的椎弓根螺钉植入手术依然使用徒手植入方法,其手术质量很难得到保障,基于传统医疗资源通过整合的椎弓根螺钉植入手术导航系统的社会价值不言而喻。本文围绕脊柱手术导航过程中关于术前脊椎分割和术中配准,研究了椎弓根螺钉植入手术导航系统中的多个关键技术,并结合人机交互在手术导航中的应用,针对计算机导航系统的特点,开发出一整套适合医生使用的椎弓根螺钉植入手术导航系统。本文完成的主要工作包括:(1)研究了一种针对CT体数据进行脊柱分割和椎骨分离的方法,通过三维形变曲面模型进行脊柱分割。(2)研究了一种结合学习和几何变换的2D/3D配准方法,将传统的2D/3D配准从六个投影参数变换为两个,在保障准确度的前提下有效降低计算复杂度。(3)设计基于键盘鼠标的三维空间控制界面,基于MTIK软件框架,实现友好的交互界面和交互方式。通过多种视野展示螺钉姿态,供用户直观识别。(4)基于对椎骨分割、2D/3D配准和手术导航等关键技术的研究,实现了一个椎弓根螺钉植入手术导航系统原型。本文研究了椎弓根螺钉植入手术导航系统中的关键技术,通过对技术的实现验证了在现实环节的可行性。基于本文所阐述的关键技术和实现,设计并实现的椎弓根螺钉植入手术导航系统已在国家某单位验收通过。本文的椎弓根螺钉植入手术导航系统关键技术的研究与实现为技术领域向现实领域转化提供依据,也为设计与开发相关应用系统奠定基础。