计算机辅助外科手术是多学科尖端技术的结晶,它集中了计算机科学、数学、机械学、外科、内科及生物医学工程等领域的成就,把图像图形处理、空间立体定位、精密机械和外科手术等结合在一起,形成的一个新研究方向。它延伸了外科医生有限的视觉范围,更好地发挥了外科医生的主动性和灵活性,突破了传统外科手术的界限,更新了外科手术和外科手术器械的概念。本文重点讨论计算机辅助手术导航系统中的体数据处理与可视化,多模态图像配准和空间配准,以及空间定位技术等关键技术。在对这些技术研究的基础上,我们开发了一套应用于神经外科的计算机手术导航系统。体数据处理与可视化是手术导航系统的基础。论文首先讨论了体数据的三维重建,论述了几种图像序列图像插值方法,通过引入窗口坐标系,实现了对体数据任意剖面的显示。组织模型重建是导航系统进行手术计划和手术模拟的关键。组织模型的重建包括组织体数据的分割和组织表面的重建。论文阐述了几种体数据分割方法,重点研究基于灰度的组织体积分割和基于区域的交互式组织体积分割。论文提出了三维种子填充算法和数学形态学相结合的方法,对灰度分割后的体数据进行处理,使得组织体积的分割更为精确。在组织表面重建部分讨论了基于轮廓线的表面重建和Marching Cubes的等值面提取算法,采用边收缩的三角面简化算法,对重建后的组织表面进行简化,提高了三维显示的速度。开发了通用的三维显示平台SceneGraph,SceneGraph基于场景图进行设计,具有强大的三维交互操作功能,可以帮助用户快速的制定手术计划。空间定位方法和配准技术一直是手术导航系统的研究重点。论文讨论了手术导航系统中的图像配准和空间配准方法。在图像配准部分,论文重点研究了基于互信息的多模态三维图像配准。基于互信息的三维图像配准由于其不需要医生干预,配准精度高,在很多系统中得到了广泛的应用。空间配准是手术导航系统从手术计划到手术导航的关键。论文阐述了基于表面和基于标记点的空间配准方法,重点讨论了如何通过外部标记点来实现空间配准。根据得到的多个对应点坐标,通过最小二乘法来计算他们之间的最佳变换关系,系统达到了较高的配准精度。在论文的最后介绍了我们开发的神经外科计算机辅助手术导航系统。该手术导航系统采用模块化设计思想,整个系统按照功能模块进行划分,各个功能模块以组件(COM)或动态链接库(DLL)的形式提供,功能模块独立。论文中详细讨论软件功能模块的划分,软件数据结构的设计,并结合手术导航的流程,阐述了手术导航系统中的术前计划、图像配准、空间配准、术中导航等功能。