颅颌面整形外科手术的目的是外科医生通过颅面骨修补或重置技术恢复先天性发育不良或疾病所导致的颅面畸形骨,以便改善容貌。目前大多数医生完全凭借自身的经验和技术制定外科手术计划,然而,由于面部解剖结构复杂,而且涉及到人脑功能与容貌美学的双重标准,对外科医生来说,设计合理的外科手术计划是一个非常繁琐并且具有挑战性的过程,因此利用计算机辅助医疗计划系统自动计算手术方案和预测整复外科手术结果是外科医生与病人的共同愿望,因为预测术后结果不仅有利于医生与病人的交流,而且可以辅助医生快速而准确地选择最优手术方案,另外外科医生还可以利用其反复训练手术过程。　　 近年来,随着医学影像技术的发展,基于CT的3D颅面整复外科手术计划系统开始出现,特别是最近几年得到了广泛的应用,并且发展非常迅速,一直是国内外研究与应用的热点。然而,目前的计算机辅助医疗计划系统大多数仅仅能够在3D模拟环境中完成简单的切骨术,很难预测术后软组织变形,也无法自动根据骨骼重置计划实现软组织的变形预测,更无法根据期望的容貌来预测骨骼重置计划。即使在更高级的系统中,尽管能够完成骨骼操作与软组织模拟,但是在软组织模型中没有考虑生命组织的材料属性特征,影响预测的精度。另外在生物力学模型的求解过程中仍然需要外科医生根据骨骼配置计划手动测量骨骼移动偏移量来定义其边界条件,这将会影响软组织变形的精度和可靠性。　　 在此背景下,本文提出了几个新的算法,并将其引入整复外科手术计划系统中,根据预先制定的骨骼重置计划实现术后容貌的模拟。首先提出改进的符号距离场碰撞检测算法,计算骨骼移动时骨骼与软组织模型相互接触的区域、相互渗入深度以及接触力方向,并利用惩罚方法计算作用在面部软组织的接触力；然后通过调查软组织生物材料属性的超弹性应力应变关系,分别估计皮肤、肌肉和脂肪的超弹性模型构成参数；最后提出基于非线性有限混合元模型预测骨骼重置后的软组织变形。　　 另外提出了根据期望的目标人脸轮廓计算最优颅颌面骨配置计划,这实际上是预测软组织变形的逆过程,可以进一步辅助外科医生自动生成最优外科手术方案。　　 本文的创新主要体现在:　　 1)提出了一种新的混合元几何描述方法,将皮肤与内部软组织(肌肉与脂肪)分别离散成五面体柱形单元和四面体单元,然后通过扩展平板弯曲单元的形函数形成不同体元类型的传递元,使得脸部外表面网格保持C1连续,而内部单元保持C0连续；　　 2)根据软组织的应力应变关系,分析了软组织材料的构成属性,选择合适的超弹性模型并且计算对应的材料参数,对混合体元几何模型中的五面体与四面体单元分别赋予皮肤与内部软组织的材料属性,有效解决面部组织生物材料属性的非均匀性问题；然后利用Lagrange虚功原理方法建立软组织变形的平衡方程,预测软组织变形结果；　　 3)提出了改进的3D符号距离场碰撞检测算法,利用其自动关联骨骼重置计划与软组织变形反应,当骨骼进行牵引时,符号距离场碰撞检测方法可以有效地获得精确的接触位置、相交网格节点的相互渗入深度以及接触力方向；　　 4)提出了颅颌面外科手术计划系统的实现方法和结果定量评估协议,根据实现方法和协议模拟了6个中面牵引外科手术病例,实验结果定量地证明了本文方法的有效性；　　 5)提出了基于期望容貌的颅面外科手术计划的自动估计方法,首先根据病人人脸特点和解剖要求设计理想的三维目标脸外部轮廓,然后计算目标脸与术前脸的表面网格节点距离,估算软组织模型的虚拟外部牵引力,以此作为本文提出的生物力学模型的边界条件,实现软组织的变形,最后对软组织内表面与骨组织表面进行配准计算骨骼重置计划,实现自动地获取最优骨骼重置计划。