脊柱是人体重要的器官之一，脊柱扭曲变形及损伤是骨科常见的现象，以椎弓根螺钉（Pedicle Screw，PS）植入为基础的脊柱内固定手术被广泛应用到临床治疗中。由于椎弓根的复杂解剖结构和特殊脊柱扭曲变形，临床上产生一定数量的螺钉误植，导致手术失败，甚至病人瘫痪。为了实现椎弓根螺钉的精准植入，植入过程的实时监测和精准导航研究成为关键。本文基于近红外光谱技术的基本原理，设计了一套用于椎弓根螺钉精准植入的实时监测系统，并开展了系统研究。　　论文的主要工作和创新点如下：　　1、系统研究了椎骨组织的近红外光学传导规律和理论模型，该模型能够准确反应探头前方一定距离的组织特征，能够准确识别骨组织分界面，基于研究过程的这些发现，创新性地将该模型应用到骨科植入导航，并设计了基于近红外光谱技术的椎弓根螺钉植入监测系统，同时采用理论、仿真及动物实验对基础理论模型进行了验证，确认理论模型的可靠性与准确性，为一种新型骨科导航技术的开发打下了基础；　　2、系统开展近红外椎弓根螺钉植入过程中的椎骨组织参数特征研究。首先研究了微创近红外骨组织参数实时监测技术，可以同时获取穿刺轨迹上不同生物组织参数，包括约化散射系数、血氧饱和度、血红蛋白浓度等，其次研究了植入路径上不同类型组织特性，包括骨膜、骨密质、骨疏质、骨髓等，获得了椎骨组织的参数特征，发现不同类型的骨组织可以通过这些参数进行准确识别，这些特征进一步证明植入导航的技术可行性；　　3、系统研究导航植入路径组织特征识别因子。通过仿真实验、仿体实验、离体猪骨和小动物实验全面研究PS穿刺路径上椎骨组织近红外参数，获得优化的椎骨组织近红外光谱识别特征因子，并基于识别因子建立了植入路径定位与识别模型。路径定位与识别模型是本课题的核心任务，开展了基于约化散射系数和近红外光谱的频域组织定位模型研究。提出了基于近红外光谱的椎骨识别特征因子，频域处理方法具有稳定可靠性，实验结果为研究不同PS穿刺路径上的椎骨组织光学参数变化规律奠定了基础。本部分的植入路径识别模型是导航定位的基础，基于定位模型就可以实现PS精准植入过程实时识别组织的目的；　　4、系统研究PS植入过程的预警参数和预警模型。为了确保植入路径的准确，并确保不出现路径偏差，一定要实时检测PS植入过程中的组织光学参数，并进行预警，论文采用基于近红外光学参数建立路径定位模型、分析模型和组织参数识别模型，系统研究了PS植入的前视距离，提出植入边界预警模型。研究了基于光纤探头检测深度的预警原理，采用仿真、仿体实验和椎骨实验对检测深度进行了分析计算，获取系统的边界预警因子及其预警阈值，根据阈值进行预警可有效避免穿破骨膜等情况的发生，这样可以确保PS植入过程的安全性；　　5、设计并搭建了近红外椎弓根螺钉精准植入系统，实现椎弓根螺钉精准植入系统关键在于近红外实时监测系统应用，在系统中建立用于椎弓根螺钉植入监测的组织分析、边界预警、路径识别以及定位模型等，采用新鲜牛椎骨实验进行了系统测试，包括术前数据的采集分析和手术时的计划导航，证明系统的有效性，为术中应用近红外椎弓根螺钉精准植入系统奠定了基础。　　本文基于近红外光谱技术对椎弓根螺钉精准植入关键技术开展了系统研究，包括PS植入过程中近红外光传播规律、椎骨组织参数检测、骨组织识别因子、路径识别模型、预警模型等，提出了一种新的PS植入技术，在理论上证明了技术的可行性，并通过大量实验证明了技术的可行性，同时搭建了一套植入导航定位系统，实现了精准植入过程，该技术对开发具有自主知识产权的高新医疗器械具有重要的意义，对骨科手术导航精准植入奠定了基础。