肝癌消融微创介入术是治疗肝癌最有效的方式之一,肿瘤靶点的精准定位和穿刺对肝癌消融介入术疗效是至关重要的。手术导航系统在神经外科、骨科等领域的应用已经取得了瞩目的成果,但腹腔肝脏器官因呼吸、心跳等因素引起的大形变严重制约了手术导航系统在肝癌消融介入术中的应用。当前,肝癌消融介入术的定位穿刺主要依靠医生的临床经验和医学影像的引导,手术过程操作复杂、定位精度低、手术效率低、病人创伤大。本文设计了肝癌消融光学手术导航系统,基于双目视觉定位技术和医学图像处理及可视化技术研究了手术导航中的全自动实时手术注册技术和肝癌消融的精准定位和穿刺技术,主要研究内容如下:(1)构建了肝癌消融光学手术导航系统。为解决手术导航系统在肝癌消融微创介入术中的应用受呼吸运动影响而导致的穿刺精度低、疗效差等问题,本文构建了应用于肝癌消融介入术的光学手术导航系统,设计了近红外标定板、手术器械标定块、手术器械跟踪夹具、新型标记点和手术器械等辅助工具。(2)研究了近红外光学导航仪及手术器械标定方法。本文在前期研究的基础上,提出了一种基于空间三维误差的近红外光学导航仪标定方法及高精度的手术器械标定方法。本文提出的标定方法不再基于二维假设,而是将标定板视为三维模板,在目标函数中加入特征点的三维坐标重建误差项并求最优解。本文提出的标定方法具有较高的标定精度,标定结果精度高于前期研究的标定结果。本文分析了目前手术器械标定的缺陷设计了一种简捷的手术器械标定块和高精度的标定方法。使用此方法标定的手术器械尖端标定误差小于0.7 mm。本文还设计了更为通用的手术器械标定工具,具有使用便捷、适用性强和标定精度高等特点。(3)研究了手术导航中的自动手术注册方法。本文设计出一种新型标记点,基于该标记点实现了全自动实时手术注册方法。新型标记点有两种型号可适用于CT或MR设备,标记点结构独特,易于在图像空间中将其与人体解剖结构分割开,且可在手术空间为光学手术导航系统所识别。全自动实时手术注册方法分三步执行:第一步识别图像空间的标记点,提出了一种基于模型配准的标记点自动识别方法,实现图像空间的标记点自动识别,相较手动识别标记点,该方法有更高的定位精度和鲁棒性;第二步跟踪手术空间的标记点,左右图像的立体匹配是标记点跟踪的准确性和实时性的关键,本文提出一种基于重投影误差的立体匹配算法,结合对极几何原理和重投影误差有效地解决立体匹配问题,该方法具有良好的鲁棒性,同时保证标记点跟踪的实时性;第三步实现图像空间与手术空间的配准,本文提出了一种基于几何特征聚类的空间自动配准方法,利用两个空间中各个标记点间的几何距离关系,快速获得标记点的配对结果,接着求解两个空间之间的变换关系。为验证全自动实时手术注册方法的可行性,本文开展了一系列体模实验,实验结果表明该方法能够实现快速、自动、准确和实时的手术注册。(4)研究了肝癌消融精准穿刺方法。本文提出一种基于全自动实时手术注册的肝癌消融精准穿刺方法。此方法可概括为:术中实时跟踪粘贴于病人腹部的标记点,采用全自动实时手术注册方法计算标记点注册误差FRE的实时曲线图,根据实时FRE曲线找出与术前图像最匹配的时刻,确定最佳穿刺时隙进行精准穿刺。体模、离体和活体动物实验均验证了此方法相对其他方法具有较高的精度,对病人创伤小,大幅减少病人的辐射伤害,具有临床可行性。