患者个性化骨折模型的三维可视化在计算机辅助骨外科手术中占扮演了重要的角色。现有的做法通常是让有经验的医生事先为患者在其骨标志点位置准确地打入克氏针,利用跟踪设备捕捉克氏针上的marker点来进行配准,利用这种基准标志点将术中患者解剖位置与术前获得的三维体数据进行配准。这种方法首先需要利用传统的CT技术对骨骼进行整体扫描,这样的整体扫描对患者和医生会造成极大的辐射伤害,且之后的重建过程需要专业人员进行,耗时较长。因此,这种侵入式方法在常规诊断中不常应用,而目前大多数骨折复位手术都完全依赖二维的X光图像。本研究的目的是通过引入低辐射快速重建的三维解剖模型,在股骨骨折复位手术的各个阶段为外科手术医生提供帮助。对股骨骨折复位的研究表明:计算机辅助系统通过增加二维图像引导和交互式三维骨模型可以极大的提高外科手术的精度。本文的研究显示在手术过程中引起骨对准错误和并发症的定位误差可以通过引入骨折段的三维可视化来减少。因此解剖位置的三维可视化在基于图像引导的外科手术中扮演了非常重要的角色,而该技术最大的贡献则是在微创手术中。本文研究的目标是通过对骨折骨进行三维模型重建,从而在术中实时跟踪骨折骨位置及姿态。针对这一问题,本文对上述手术中的一些关键技术进行了深入研究,主要包括如下几个方面:1.提出了一种新型具有拓扑约束的X光片图像骨轮廓的自动提取方法,利用通用模型的投影轮廓实现了X光片图像中骨轮廓的快速准确提取。该算法利用了所需提取骨轮廓的通用三维模型来定义解剖拓扑学结构,在通用三维模型投影轮廓和X光图像提取轮廓之间进行非刚性配准获得拓扑约束,摒弃了通常拓扑约束定义所需的统计学习过程,使得该轮廓提取方法具有更广泛的适用性。2.提出了一种相似性测度与梯度搜索最优化方法相结合的二维三维图像配准算法,实现了利用术中X光片对完整骨和骨折骨在术中手术姿态的准确估计;该方法对基于Hausdorff距离的相似性测量方法进行了修改,并将其与基于梯度搜索的最优化方法进行有机结合,从而形成一种新型二维三维配准算法,在计算过程中提出了面内配准和面外配准的概念,并交互进行,使得配准精度和稳定性大为提高。3.提出了一种新型基于两张X光片和一个标准骨模型的个性化骨骼三维模型的快速重建方法,实现了利用低辐射的X光片快速重建患者个性化骨骼模型。该方法对传统FFD算法进行了简化,通过维度一致的概念将二维X光片与三维标准模型之间建立对应关系,从而获得的三维重建方法较传统CT重建方法更加快速、经济以及安全。4.对比研究目了前骨外科手术中采用的术前规划方法,分析了其不足以及对规划导航精度产生的不良影响。在此基础上初步开发完成股骨术前手术规划软件系统,并通过尸体试验对其性能进行了定量测试,获得了在临床应用前的相关试验数据。本文对计算机辅助骨外科低辐射快速三维重建及图像配准方法的关键技术进行了系统深入的理论研究,并设计了相关的软件算法。在此基础上初步开发完成了股骨术前手术规划软件系统。本系统应用成本低,不需要增加额外的设备或装置,对经济欠发达地区推广术前手术规划及计算机辅助手术技术具有推动作用。