椎弓根钉植入手术是一种精度要求高、风险大的手术。机器人辅助导航系统技术是结合医学图像处理、三维图形重建、图像配准、空间定位以及机器人技术等多学科知识的前沿手术方式。相比于传统的手术方式,能够提升手术成功率,减少患者和医生承受辐射剂量并降低手术后遗症风险。本文针对椎弓根钉植入手术导航系统中存在的关键技术问题,依次对手术导航系统流程设计,金属伪影抑制以及椎弓根钉植入手术安全等问题展开研究。第一,设计了手术导航系统的整体结构流程,在术前阶段使用锥束CT扫描获取图像并加入金属伪影抑制流程以消除标定装置产生的金属伪影干扰。在术中阶段加入手术安全机制以保证椎弓根钉的安全植入。在术后评估阶段加入金属伪影抑制以及术前术后图像配准融合流程来提高术后评估的准确性。第二,研究了基于投影修复法的金属伪影抑制方法,针对传统金属伪影抑制方法中存在的投影图金属轨迹不精确、金属补偿不规则等问题提出了使用snake活动轮廓模型精确分割金属轨迹的方法。在精确分割金属轨迹的基础上使用交集反投影的方法进行金属区域重建。在模拟数据和临床数据上进行了实验,验证了算法的有效性。第三,对基于迭代重建的金属伪影抑制方法学进行了研究,介绍了代数迭代重建与统计迭代重建的基本原理,实现了从体素驱动的投影矩阵到射线驱动的投影矩阵的快速计算。在模拟数据和临床数据上进行了实验并与sanke精确分割的金属伪影抑制方法对比,结果表明迭代重建能够抑制金属伪影并获得更高质量的重建结果。第四,对椎弓根钉植入手术过程中钉道的安全范围进行了分析。针对手术器械安全深度问题,提出了在手术器械上加入距离刻度的方案;针对钉道偏离角度偏移问题提出了使用基于术中光学定位装置的角度偏移检测方案;针对手术器械可能穿过第二层骨皮质问题提出了使用压力传感器获得手术器械力反馈并判断手术器械位置方案。对手术器械力反馈使用模拟材料进行了实验,验证了手术器械力反馈方案的有效性。