基于图像引导的手术导航技术是目前计算机辅助手术中的研究热点之一，导航技术对提高手术精度保证手术质量有着重要意义。目前正颌外科手术一般是基于二维X透视光片分析和模型外科模拟来实现的，但由于投影叠加等误差的存在和人的颅颌面结构并非左右完全对称，预测精度受到了限制；在模型外科上的模拟切割和拼对，虽然实现了三维的概念，但是脱离了整个面部关系，模拟结果差强人意，妨碍了医生和患者之间的交流。计算机辅助手术给正颌外科手术带来了新的发展空间，然而目前计算机辅助正颌外科手术的研究主要是集中在术前三维模拟阶段，术前模拟结果在手术过程中难于准确实现。针对上述问题，本文在实现颅颌面三维可视化和术前模拟的基础上，将手术导航技术首次应用于正颌外科手术领域，开发了3D OsteotomySimulation &Navigation System(简称3D OsteoSim&Nav系统)手术导航系统，并对相关关键技术进行了深入研究，主要包括以下几个方面： 1．颅颌面网格模型的简化问题。在实现三维可视化的基础上，为了提高三维手术模拟及导航的实时可操作性，采用顶点聚类与二次误差度量(QEM)相结合的方法来进行网格简化，在保证网格质量的前提下，减少了网格数量，提高了实时交互操作能力； 2．手术模拟过程中碰撞检测问题。实现了三维立体精确测量与手术模拟后；在模拟移骨过程中，为了真实地模拟手术过程，考虑了骨模型间的碰撞问题，并针对正颌外科手术特点，在构造模型包围盒的过程中，提出局部包围盒法来构建包围盒，即不以全部模型为对象，而是以切割面及其邻域部分模型为对象构建包围盒，从而简化了包围盒的构建。实验结果表明这种简化包围盒的方法大大提高了碰撞检测速度： 3．空间配准与术中实时导航问题。主要完成了空间配准算法的实现，采用四元数法来最优化解析ICP算法完成配准后，在术中实时跟踪手术器械与患者的空间位置来实现实时导航。为了实时跟踪手术器械，首先采用CAD造型法或反求构建法来构建手术器械的实体模型(反求构建法已在SCI源期刊发表论文一篇)，完成手术器械的可视化；然后将手术器械与探测工具进行标定，完成精度测试，最后根据定位跟踪系统跟踪的手术器械位置信息，在术前模型空间位置上实现手术器械模型的参数化描述，同时对术中患者空间位置的改变进行了实时补偿，保证在术中实时准确地追踪手术器械和患者的空间位置。 4．游离截骨块精确定位问题。精确定位游离截骨块是实现正颌外科手术的关键。定位板的应用可以保证正颌外科手术在术中精确地实施术前模拟确定的手术方案。为了符合计算机辅助手术的发展趋势、将三维模拟的结果在术中精确实现，我们在实现三维模拟的基础上，结合快速原型技术，首次提出了计算机辅助生成板的技术路线(该方法已得到国际上的认可，在SCI源期刊上发表论文一篇)，简化了袷板的制作过程，缩短了制作周期，提高了游离截骨块的定位精度，从而保证了正颌外科的手术精度。针对正颌外科的手术特点，本文对手术导航技术在正颌外科领域应用中的关键技术进行了系统的研究，相关内容在国内外期刊、会议上发表文章多篇，得到了国内外同行的认可和赞同。正颌外科手术导航系统的研究开发，将手术导航技术首次应用于正颌外科，提高了手术精度，填补了国内正颌外科手术导航的空白，为手术导航开辟了新的研究领域，在实现计算机辅助手术导航关键技术知识产权自主化方面迈出了坚实的一步。