传统骨科手术因医生无法了解实时进程等原因导致手术失败率高,骨科手术机器人的应用改善了这一情况。骨科手术导航系统作为手术机器人的关键,通过在术前帮助医生建立手术规划和在术中提供准确定位信息,明显提高了手术速度和成功率,得到了国内外研究学者、医疗厂商的广泛关注。因此,本文以脊柱手术为研究对象,对基于CT图像的骨科手术导航技术中所涉及的CT图像可视化技术、手术规划方法、图像配准方法和光学定位技术展开深入研究。本文主要研究内容与结论如下:（1）本文实现了高质量的脊柱模型三维可视化效果。首先,通过分析CT图像成像原理,实现了CT图像的读取和显示,并借助窗宽窗位调节技术获得了清晰的脊柱图像。然后基于区域生长方法和图像颜色映射原理,实现了脊柱图像分割。最后通过研究面绘制和体绘制的原理,实现了脊柱模型三维重建。并利用Flying Edges算法改进传统面绘制算法,速度提升了71.7%。（2）本文通过分析手术规划系统中涉及到的关键方法和理论,为搭建骨科手术规划系统提供了基础。首先,通过研究图像测量原理和三维模型的虚拟切割,实现了模型角度、距离测量与模型的任意平面交互切割。然后,通过分析计算机图形学坐标系统转换原理,实现了虚拟脊柱手术仿真。最后研究了虚拟碰撞检测原理,基于OBB包围盒方法提出两步法实现了脊柱模型碰撞检测功能,经实验证明该方法同时兼顾良好交互性和准确性。（3）本文深入研究了手术导航系统定位原理,并提出了一种快速CT图像配准方法。首先对双目相机光学定位原理和基于表面匹配的ICP配准原理进行研究;然后,在传统ICP配准算法的基础上提出了一种快速表面配准方法。即结合关键点思想和采样一致原理完成初始配准,在精确配准阶段利用K-D树加速寻找最近邻点对,并在迭代过程中剔除一定比例的误匹配点。最后,通过脊柱点云配准实验研究,结果表明,该方法较传统ICP算法精度提高了70.5%。配准时间由177.8 s减少到41.2 s。（4）本文在手术规划和手术定位技术的研究基础上,建立了手术导航系统。首先,搭建了双目相机平台,并提出了一种标记点识别方法;该方法通过自适应阈值分割、计算图像矩等方法识别标志物圆心并获取其像素坐标。然后,基于张正友标定法完成了相机标定,并利用双目相机定位原理和奇异值分解（SVD）方法计算得到标志物的空间位姿,定位实验结果表明该方法平均误差为0.1646 mm,满足手术要求。最后,设计并开发了脊柱手术导航软件,并通过模拟脊柱手术过程验证了系统的有效性。