脊柱微创手术机器人系统通过对病灶坐标的精密计算和对机器人手臂的精确定位控制,帮助医生提高手术精度,保证脊柱微创手术的安全进行。基于CT图像导航的脊柱微创手术机器人系统主要由三部分组成：(1)CT成像设备；(2)计算机数据处理与导航系统；(3)机器人本体及运动控制系统。其中计算机数据处理与导航系统共包含四个模块,分别为图像的采集与处理模块、虚拟环境建立模块、运动规划与控制模块及人机交互界面。其中图像处理与虚拟环境建立为本文的主要工作。医学图像处理及虚拟手术仿真系统对于完善与加强脊柱微创手术机器人系统的功能,具有十分重要的意义。借助医学图像处理技术,完成伪影校正、图像分割等任务,可有效改进医学图像的显示质量,协助医生更准确地确定病灶及手术工具的位置。手术的虚拟仿真系统可为医生建立一个虚拟的治疗环境,在这个虚拟环境下,医生可以观察病灶位置,对制定的手术方案进行虚拟仿真,实现对治疗方案的评价与完善。围绕这两部分工作,本文主要完成以下内容：(1)CT图像金属物伪影校正算法研究。脊柱微创手术时需扫描人体以判断手术工具是否已到达病灶部位,金属材质的手术工具使CT图像中出现了较大面积的阴影。为解决此问题,本文采用了二次校正的方案,依据CT设备成像原理,通过对CT图像进行“投影-插值-反投影”处理,有效衰减了CT图像中金属工具周围的阴影。在对现有金属物伪影校正算法深入研究的基础之上,针对上述方法中的“插值”过程,采用了三次多项式插值算法与非线性权重校正算法。分别将两种插值算法应用于带有金属物伪影的仿真图像,均取得了较好的实验结果。并将其应用于二次校正算法中,验证了两种插值算法对CT图像金属物伪影校正问题的有效性。(2)基于水平集算法的医学图像二维分割与三维分割技术研究。脊柱微创手术主要是针对骨骼部位完成的手术,因此医学图像中骨骼的分割对病灶位置的确定及手术规划具有重要的意义。本文提出了多阈值单水平集图像分割算法,为单水平集函数设置多个阈值,通过对单水平集函数的迭代,不同的阈值将医学图像分割为多个区域,其中骨骼作为脊柱微创手术最感兴趣的区域,被清晰地分割。针对真实医学图像的实验表明,通过对参数的合适选取,该算法可有效地实现医学图像的二维分割与三维分割。(3)脊柱微创手术虚拟仿真系统中,手术工具模型与脊柱模型的碰撞检测技术研究。基于脊柱微创手术虚拟仿真系统中手术工具与脊柱模型碰撞检测问题的特殊性,采用了基于距离场的碰撞检测算法。一方面,将EVDT算法与空间点到三角形最短距离计算算法相结合,计算脊柱模型的带符号的三维空间距离场,在对运算效率产生较小影响的前提下,提高了计算结果的精度。另一方面,针对系统生成的脊柱模型三角面片集合的特殊性,改进了空间点到三角形距离的计算方法及距离场符号确定算法。与已有算法相比,本文算法更适用于由Marching Cubes算法生成的脊柱三角面片模型。(4)脊柱微创手术虚拟仿真系统研究与实现。对CT医学图像序列采用Marching Cubes算法进行处理,生成脊柱三维模型的三角面片集合,在虚拟环境中添加手术工具三维模型,完成显示功能并提供人机交互接口,利用已生成的脊柱模型三维空间距离场,判断手术工具与脊柱模型的碰撞情况,协助医生完成脊柱微创手术方案的评估与制定。将本文工作的研究成果与机器人的本体及控制系统相结合,构成了脊柱微创手术机器人系统,课题组用该机器人系统完成了相关的模拟实验与活体动物实验,实验的结果有力地验证了本文研究成果的有效性与实用性。