随着计算机技术的发展,传统的医疗手术已进入数字化时代。以计算机辅助骨科手术(Computer Assistant Orthopedics Surgery,CAOS)为代表的数字化外科手术,也进入了一个全新的发展阶段。计算机辅助手术结合了医学、计算机学以及智能控制科学,近年来与之相关的研究逐渐增多。CAOS技术可以缩短医务工作者在X射线中暴露的时长,同时提高手术精度,减小创伤。本文以鑫君特公司自主研发的六自由度骨科手术机械臂KM-Robot为研究平台,围绕骨科手术导航领域的手术机械臂术前绝对精度标定、术中位姿检测以及数字重建放射影像光源位置计算和二维、三维图像配准展开深入研究,并针对研究中发现的问题提出了解决方案。本文主要研究内容如下:第一,本文针对骨科手术机械臂在进行椎弓根穿刺手术时,绝对定位精度差的问题进行深入研究,提出一种基于遗传算法的多阶段标定算法,并以此方法对手术机械臂进行了标定以及精度修正,最后通过NDI Optotrak进行实验,验证了标定后的手术机械臂的绝对定位精度。第二,本文提出一种结合ArUco标记码和透视n点投影(PnP)算法的机械臂位姿检测方法,在手术导航的过程中检测手术机械臂的位姿,确保其按照术前规划的轨迹进行移动。此处的位姿主要指手术机械臂相对于基坐标系的旋转角度以及其尖端坐标。同时,本文设计了一种实验,以两个立方体模拟机械臂底座及其第六关节,使用相机对其进行旋转角度、位移的检测。最后,本文设计实验验证了不同PnP算法对位移测量精度的影响以及不同PnP算法的性能。第三,本文提出一种基于相机姿态估计算法的改进数字重建放射影像技术(Digital Reconstruction Radiograph,DRR)。设计了一种特殊结构的双层铅球标定板,在拍摄X光图像的同时计算X光光源位置。有效的改进了椎弓根穿刺手术中DRR在未知虚拟X光光源位置时,投影结果较差的问题,同时简化了DRR算法的流程,提高了重建效率。第四,本文对二维X光图像和三维CT体数据进行配准做了深入研究,提出了一种采用基于Amoeba优化器以及多分辨率配准策略的优化配准方案。并设计实验综合对比了包括本文提出的方法在内的四种常用配准方法,对比结果证明了本文提出的配准方法兼顾了配准效率以及准确性。