本文针对骨外科手术诊断单纯凭借DR成像导致影像重叠、无法反映三维空间信息的弊端，提出了一种2D-3D非刚性配准及三维姿态估计方法，利用患者股骨正、侧位的DR图像和通用股骨的CT体数据，实现术前患者股骨的三维姿态可视化。该方法具备成本低、成像快、有害辐射小等优点，可以为骨外科手术的术前诊断和手术计划的制定提供更为有效的三维影像学信息。本文首先介绍了医学图像配准的基本原理和方法，并提出了股骨2D-3D配准和三维姿态估计的主要研究步骤；其次，详细阐述了张正友标定法的基本原理，并对经典平面标定板进行了改进设计，通过标定实验确定了DR拍摄环境参数；然后借助CT重建和数字影像重建技术，建立起通用股骨三维模型并获取了二维DRR投影图像；接着对股骨DR和DRR图像进行边缘检测，分别提取出患者股骨和通用股骨的轮廓坐标数据。在最近点迭代（ICP）理论的基础上，本文提出了基于ICP的2D-3D刚性配准方法，完成了患者股骨的三维姿态估计；随后进一步提出了基于仿射ICP的2D-3D非刚性配准方法。该方法同时考虑了患者股骨和通用股骨的相似性和差异性，增加了比例变形，使得配准后的三维模型姿态更接近于真实的患者股骨；最后，通过大量股骨2D-3D配准实验对本文方法进行了验证与评价。配准实验结果表明：本文提出的方法成像快，配准精度高，鲁棒性好，可以有效地恢复出患者股骨的三维空间姿态，满足临床应用的需要。