随着计算机技术、医学成像以及临床诊疗技术的发展,图像引导肝脏介入手术导航技术在临床疾病诊疗中发挥着越来越重要的作用。由于实时性好、无辐射等优势,超声成像成为肝脏临床手术诊疗最为重要的图像数据源之一。然而,由于受成像机理的限制,超声图像边缘较为模糊、噪声多且视野狭窄,病灶区域难以精确分辨。将术中实时采集的超声图像与术前采集的CT图像进行配准融合显示,可有效提高手术操作的精确度,减少手术时间并降低手术风险。本文针对超声成像技术特点,重点研究超声引导手术导航技术核心关键问题,包括:超声体数据重建、超声/CT图像配准等,为介入手术导航提供技术支撑,该技术的成功应用将大幅提高手术治疗的精准度,减小临床手术创伤,有效降低手术并发症发生的概率。本文的主要创新性工作包括:(1)针对超声图像模拟方法精度低、复杂度高的问题,提出一种基于CT切片的超声图像快速模拟方法。采用多尺度血管增强算法对术前采集的CT图像进行管状结构增强,基于超声的传播及成像规律,提出了一种超声图像灰度计算的相邻像素差值比重方法,求解超声在人体组织中传播的反射系数,实现对单换能器超声图像的快速模拟;采用离散窗函数Kaiser Window实现多换能器超声反射和衰减系数的快速计算及实时融合,完成基于CT切片的超声图像快速模拟。(2)针对超声体数据重建过程由于插值计算而易引起边界模糊的问题,提出一种基于全局模块最优匹配的超声体数据重建方法。构建了超声像素的特征描述方法,计算像素的最优贡献距离,实现对其相邻体素的赋值计算;针对超声体数据中空缺区域,引入数据项、平滑项和梯度项三种体素特征构建体素赋值权重,优化搜索最优匹配模块实现空缺区域修补,同时更新空缺体素赋值权重,反复迭代以实现整个超声体数据的三维重建。(3)针对超声/CT图像配准计算相似性测度易受噪声影响而导致配准精度降低的问题,提出了一种基于超声图像模拟计算的超声/CT图像配准方法。采用张量主成分分析方法对超声和CT图像进行滤波与增强,以待配准CT切片的超声模拟图像为中间模板,建立线性组合相关性测度,采用共轭方向加速算法优化变换矩阵从而实现超声/CT图像的精准配准。(4)基于提出的超声模拟方法、超声体数据重建方法和超声/CT图像配准方法,搭建了超声引导肝脏介入手术导航系统。引入图像网格化思想,根据图像弹性变换势能最小原理,采用共轭梯度法实现超声/CT图像弹性配准,解决呼吸心跳等因素造成的人体软组织变形的问题。建立多坐标系转换关系模型,完成术前CT图像、术中超声图像和定位系统间的空间位姿变换,同时通过电磁跟踪定位设备实时跟踪定位超声探头相对于CT图像的空间位置,并与弹性匹配后的超声/CT图像进行融合,由此搭建多模态图像引导的肝脏介入手术导航系统。