脊柱侧凸是一种脊柱三维畸形,包括冠状位、矢状位和轴位上的序列异常。青少年特发性脊柱侧凸（Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS）是最常见的脊柱侧凸类型,是严重影响着青少年身心健康地发育与成长的多发病、常见病。临床上常用基于X光成像的Cobb角作为诊断青少年特发性脊柱侧凸的金标准。但是,X光检查有一定电离辐射,频繁的X光检查会诱发人体新陈代谢异常乃至危害青少年的生长发育。近年来,具有实时、低成本、无辐射等优点的自由臂三维超声被积极尝试用于青少年特发性脊柱侧凸诊断,以减少传统X光检测的危害。然而,现有三维超声诊断方法还没有充分地利用三维数据研究脊柱三维结构,无法真正揭示脊柱三维畸变特性,进而最终影响临床医生对脊柱侧凸的诊断。本文针对脊柱超声评估,研究相关的可视化和图像处理关键算法,设计一种脊柱超声数据的三维成像及脊柱弯曲评估方法。此外,本文将设计一套完整的自由臂式三维超声脊柱侧凸评估系统,并对其功能进行验证。本文的核心工作在于如何结合经典图像处理算法及可视化算法,设计一套用于评估脊柱侧凸的三维诊断系统。工作内容包括如下几点:（1）本文基于三维超声数据的冠状剖面投影图,进一步利用棘突等解剖结构的空间分布,提出一种结合局部方向相位一致性的自适应棘突轮廓特征提取方法,从而更好地挖掘椎骨解剖结构先验知识,实现冠状剖面投影图中棘突轮廓的识别与脊柱弯曲度的自动检测。实验表明本文提出的方法无论是准确度和速度均具有更优异的性能,并可于不同投影深度的冠状剖面投影图实现脊柱曲线的自动提取。（2）本文提出了一种基于脊柱解剖结构的矢状剖面投影成像方法。现阶段三维超声诊断方法没有充分利用三维超声数据去研究脊柱三维结构,只在单一可视化图像上检测脊柱弯曲度。并且由于脊柱结构特殊性,标准的矢状剖面投影方法只能在一幅投影图像呈现部分脊柱椎体,从而无法检测脊柱弯曲度。本文针对这一问题,基于脊柱曲线自动提取算法,对同一脊柱三维数据识别各个深度冠状剖面投影图中的棘突轮廓与对应脊柱曲线,获取对应椎体与棘突的三维空间位置信息,从而可以构建一个基于脊柱解剖结构的矢状基准参考剖面。基于该基准参考剖面,可以获取包含所有椎体的矢状剖面投影成像,从而实现矢状面的脊柱弯曲度检测。实验结果表明该矢状投影成像方法所测得脊柱弯曲度与X光矢状面（侧位）Cobb法的测量结果有良好的相关性与一致性。（3）依据对上述研究并结合现有自由臂式三维超声成像系统,本文开发了一套针对脊柱侧凸评估的自由臂式三维超声成像系统。该系统不仅实现以往自由臂式三维超声系统中常有的采集、重建、成像以及交互观察等功能外,还集成了多可视化图像的脊柱弯曲度检测功能。此外,该系统还采用预先设计的标准三维椎体模型,基于手工标注冠状与矢状面投影成像中关键解剖结构的位置信息,通过刚性变化对特征点进行对应位置匹配,实现脊柱三维仿真模型构建,从而为脊柱维畸形的的三维评估与分析提出一种全新的解决方案。总体而言,相较于以往脊柱侧凸的成像评估方法,本论文提出方法优点在于经过一次无辐射危害的三维超声扫查即可生成冠状、矢状和水平面三个位面的可视化图像,并且获取完整的三维脊柱结构模型。同时,该方法简单、灵活、成本低,利于在医院普及,未来有着较大的发展潜力。