椎弓根螺钉内固定是治疗脊柱各种病变的重要手段。但当前该类型的手术方案制定方式无法适应复杂的临床环境与高风险控制需求。计算机辅助外科手术可以实现精确的手术模拟以及手术方案设计,从而提高手术的准确性与成功率。因此,借助体可视化技术重建出高质量的三维模型,并设计具有良好交互性能的系统,从而实现安全、个性化的手术规划目的,具有极为重要的研究意义与应用价值。本文面向椎弓根螺钉植入手术的需求,围绕实现个性化手术方案的精确设计这一主题,深入研究和探讨计算机辅助椎弓根螺钉内固定手术设计过程中涉及的图像处理算法、体可视化技术、模型交互仿真技术及快速成型技术,取得了以下成果:1.为满足脊柱侧凸三维评估分析的需求,同时为计算机辅助椎弓根螺钉植入手术设计做好铺垫,提出了一种基于MC面绘制的脊椎骨块分离处理方法。首先介绍了MC算法的原理与实现方法,然后结合MC面绘制的实现过程,提出了体素级的脊椎骨切割方式,实现了对目标脊椎骨的快速粗分割。最后对三维医学体数据的连通性进行讨论,并基于分割标记技术创新性地提出像素擦除的可视化交互手段,应用该手段可以精确地擦除目标脊椎骨间隙处的非感兴趣组织,实现椎骨的精细分割。2.为了准确设计椎弓根螺钉的植入位置并提高模型交互的操作性能,本文提出了一种基于轮廓线空间几何变换的螺钉定位方法。通过深入分析三维模型在渲染原理下的姿态变换与特征点拾取机制,获取特征面的三维轮廓线,并通过Prim算法对轮廓线的连续性进行优化处理;然后对其进行空间几何变换,映射到二维空间;最后以二维轮廓线为参照,直观准确地完成椎弓根螺钉的定位规划。3.为了进一步确保手术方案于临床的顺利执行并实现与其它CAD系统的信息对接,本文设计了一种快速成型文件接口方式。通过对快速成型技术的深入研究,提出了一种基于MC算法的STL文件生成方法,利用该方法可以快速地输出正确的STL文件;同时基于OpenGL图形软件接口,设计一种STL文件读取与显示方式,实现STL文件的有效信息读取与三维模型渲染。4.基于上述研究内容,本文设计并开发了基于可视化交互的计算机辅助椎弓根螺钉植入系统。详细介绍了该可视化系统的设计思路、整体架构、功能模块及其关键技术;临床病例试验证明该系统满足椎弓根螺钉内固定手术的直观性和交互性需求,可辅助医生进行精确的手术方案设计。