计算机辅助手术导航技术是结合了计算机科学、信息管理、图像处理等多门学科的一项技术。该技术旨在进行手术的过程中,利用计算机技术模拟整个手术环境,然后三维可视化整个操作环节,帮助医生顺利完成手术。其中,影像引导下的手术技术应用最广泛,该技术是一种新兴的微创治疗方法。目前,应用计算机断层扫描、X射线成像、核磁共振成像的技术已经较为成熟了,但计算机断层扫描、X射线成像在成像过程中会对人体造成辐射伤害。因此,本论文研究了利用超声影像跟踪穿刺针尖的技术。研究围绕超声探头的标定、穿刺针尖的标定、基于超声影像的穿刺针尖的跟踪等问题展开,着重对基于超声影像的穿刺针尖的跟踪进行了探讨。主要研究成果如下:1、提出了新的穿刺针尖标定的方法,其标定的是穿刺针尖在器械坐标系下的坐标。利用253幅摄像机坐标系下的光学小球图像坐标,优化得到一个模板坐标系。然后,将模板坐标系下的坐标变换到器械坐标系下,得到器械坐标系下的坐标。接着,将器械坐标系下的针尖坐标变换到摄像机坐标系下,利用梯度下降法优化得到针尖坐标,证明了穿刺针尖标定方法的精确性。该方法得到的穿刺针尖的标定误差为0.1644mm。2、提出了新的基于N线的超声探头标定的方法,其标定的是图像坐标系到超声探头坐标系的变换矩阵。针对传统N线超声探头标定方法的优缺点,提出了利用穿刺针尖的标定方法寻找每条N线的两端点坐标以求解N线方程,并以此计算图像坐标系到超声探头坐标系的变换矩阵,证明了超声探头标定方法的精确性。该方法得到的超声图像的像素偏差为1.5373mm。3、提出了基于超声影像的穿刺针尖跟踪的方法,其跟踪的是xoy平面的位置。在xoy平面,利用控制器定位超声探头的位置。然后,计算针尖穿刺针尖在固定坐标系下的坐标。同时,增加了一个卡尔曼滤波器,用于削弱噪声对针尖的影响,并且预测随后的状态。最后,在x轴上运用补偿器使超声探头到针尖的距离始终趋近于0以此伺服控制超声探头,使超声探头能够实时跟踪穿刺针尖,仿真证明了基于针尖的位置和角度进行卡尔曼滤波的方法比基于针尖的位置和速度进行卡尔曼滤波的方法的跟踪性能更好。实验表明,基于针尖的位置和角度进行卡尔曼滤波的方法提高了跟踪性能。