手术导航系统是集计算机图形学、医学图像处理、空间定位技术以及临床手术等多学科为一体的综合性研究课题。医生通过手术导航系统可以更加直观、精准的对患者病灶进行手术,有利于提高手术治疗效果和成功率,对减轻医生劳动强度及患者创伤具有重要意义。本文对前列腺近距离粒子植入放疗手术导航系统中的关键技术展开研究,主要工作内容和研究成果如下:(1)提出了基于电磁定位系统的改进的―N‖型标定模板二维超声探头标定方法,并采用基于Square-Distance-Weighted的自适应并行插值重建算法对二维超声图像进行三维重建,解决了二维超声图像缺少三维信息导致的空间位置定位不准确的问题。实验结果显示,整个标定重建过程仅用时5-10min,该标定方法与重建算法具有很高的精度和实用性。(2)提出了一种基于互信息的刚性配准算法,解决了前列腺超声图像相对核磁图像变形较小时的配准问题。在完成对超声图像的预处理后,该方法实现了超声图像与核磁图像的快速刚性配准,对于提高粒子植入手术的精度和实时性具有重要意义。(3)提出了基于力矩主轴-瑞利度量的可变形配准算法,解决了前列腺超声图像相对于核磁图像(CT图像)变形较大时导致配准精度较低的问题。通过力矩主轴算法快速配准,提高了瑞利度量可变形配准算法的速度。实验结果显示,相比于刚性配准,其配准精度明显提高。(4)提出了基于ICP改进的四元数空间配准注册算法,解决了手术导航系统中患者实际体位与图像虚拟空间的映射问题。该算法可以在取少数配准点集的前提下实现高精度的空间配准注册,简化了使用手术导航系统时空间注册的流程,提高了导航系统的实用性。假体模型实验表明该注册精度完全满足临床精度要求。(5)基于手术辅助机器人、便携式超声仪、电磁定位系统等硬件设备并结合TPS导航软件系统搭建了前列腺粒子植入手术导航系统。通过盆腔器官群模型对手术导航系统进行了模拟粒子植入手术实验,采用改进的四元数空间注册算法完成粒子植入模板的定位,使用基于互信息的刚性配准算法以及力矩主轴-瑞利度量的可变形配准算法实现模型超声图像与CT图像的配准,引导植入粒子,实验结果显示术后粒子植入效果与术前治疗计划基本一致,说明了手术导航系统具有很高的精度。通过前列腺活检穿刺临床手术对导航系统也进行了验证,结果显示在导航系统辅助下基本实现了靶向穿刺,证明了导航系统的有效性。