随着科学的发展和社会的进步，越来越多的先进科学技术被应用到医疗领域，微创和计算机辅助逐渐成为外科手术的重要发展方向。手术导航系统是计算机辅助手术的应用，目前已成为新的研究及临床应用热点。它将手术器械和病灶部位实时显示在术前重建的虚拟解剖结构上，在术中为医生实时进行导航，可以提高手术精度，减小手术创伤，降低手术失误率。根据颅颌面外科手术对手术导航系统的需求和研究需要，本文研制了新一代的高精度颅颌面手术导航临床样机系统。本文主要围绕高精度颅颌面手术导航临床样机系统的研制，对其所涉及的关键技术进行了研究，包括立体视觉三维重建、手术器械定位和颅颌面手术导航系统自配准等技术。本研究的主要创新性结果归纳如下：1.研究了手术器械的标定、识别和重建算法。手术器械的标定包括获取标识点构成的几何结构，以及工作点在这些标识点构成的局部坐标系下的坐标。首先，采用变换手术器械姿态的方式，通过计算机视觉方法进行手术器械标定。其次，采用模板匹配法识别手术器械。再次，提出了手术器械高精度重建算法。传统方法在识别标识点后孤立地将手术器械每个标识点重建，由于受到图像噪声、标定误差和量化误差等因素的影响会导致三维位置误差较大。本文基于手术器械的刚体结构特性提出了提升器械重建精度的方法，即在手术器械识别后，将手术器械自身结构信息作为约束重建手术器械的所有标识点。此方法不仅能得到更高精度的重建结果，而且能消除抖动误差。2.研制了自配准颅颌面手术导航系统。根据颅颌面解剖特点，发明颅颌面自配准跟踪装置，并基于此装置开发了自配准及跟踪软件。头颅骨标本实验表明，自配准颅颌面手术导航系统精度满足临床需求。使用自配准跟踪装置不会造成额外创伤，并可多次使用。3.研究了手术导航系统中的三维配准误差。首先通过对配准误差中配准点定位误差、配准点配准误差、目标点配准误差及目标点预测误差的深入研究，发现可通过对配准点空间位置分布进行优化来降低目标点配准误差。其次通过对影像漂移误差、手术导航系统的精度及临床应用误差等方面进行实验与分析，完成了手术导航系统误差传递链的系统研究。4.研究了导航中变形曲面的三维重建和跟踪。针对双目摄像机，本文提出一种基于线性规划和立体视觉的变形曲面重建方法。针对实际应用中可能出现的单目摄像机情形，本文提出在L∞范数意义下，将单目变形曲面重建问题描述为一系列线性规划问题，从而能有效求取全局最优解；并且提出一种快速求解该问题的算法，提高了算法运行速度。在上述关键技术的基础上，本文研制了颅颌面手术导航临床样机系统。该样机硬件系统包括立体视觉定位仪、手术器械、病灶物体等几个部分，软件系统包括图像采集处理，手术器械标定、识别和重建，医学图像的三维重建，三维配准以及术中导航等模块。本文基于头颅骨模型和标本进行了大量实验，实验结果表明研制的手术导航临床样机能够实现手术导航系统的主要功能。该系统在上海市第九人民医院进行了两例临床手术，临床应用验证了该系统基本满足临床手术要求。