随着社会的进步和生活水平的提高,人类对于健康也越来越重视,疾病仍是困扰和阻碍健康的主要因素,在信息技术在军事、科技、安全等领域带给人类便利的同时,人类也越来越意识到将信息技术应用于医疗的重要性。本文所要研究的图像引导手术系统就是结合计算机技术、空间定位技术以及图像处理技术为主的技术在外科手术中的应用。本文的研究工作结合实际的项目,在对传统的肾结石激光碎石手术的研究的基础上,提出了一套针对肾结石手术的以超声为图像引导和以光学定位设备Polaris Optical Tracker (NDI公司生产)为空间定位的手术导航系统,旨在应用于肾结石手术中并取代传统的激光碎石手术体系。本文的前半部分的研究主要以理论研究为主,深入的探讨了在本项目中要引入并改进的技术。本文首先对最常用于外科手术体系的几种成像系统和图像进行了原理性的分析,旨在为后文将要研究的基于超声的经皮肾穿手术导航系统做铺垫,然后对手术导航系统的图像分割和图像配准技术进行了研究并做了部分验证性的实验,最后对手术导航系统中的最为关键的定位模块和空间变换技术进行了仔细的研究,这部分的内容也是后文的应用重点。本文的后半部分的研究则立足于实际,提出并设计了一套基于超声的图像引导手术导航系统。以人体模型替代病人,以实际的实验为基础,将图像分割、图像配准、空间定位和空间变换技术应用到导航系统中。本手术导航系统的设计思路是基于前半部分的理论研究,由于磁共振的成像清晰等特点,术前以磁共振图像为参考进行病理分析和手术方案规划,并以此为基础设计了实际的术前图像读取和分析的软件,术中以具备实时成像特性的超声为术中的手术图像引导,应用图像配准技术,将术前的磁共振和术中的超声进行配准,使术前规划的方案在术中得以对应,由于导航系统中定位模块的空间定位和空间变换技术的应用,手术中的各种设备和手术器械都能得到定位和空间坐标系的统一,将这些定位数据传送给图像工作站进行三维空间重建,将手术中的所有坐标系以虚拟的三维图像的形式进行呈现,实现术中的可视化操作,保证了手术的安全而精确的进行。