脊柱矫形风险高、难度大,其手术过程多涉及到复杂的骨结构与神经系统等组织。伴随着体可视化技术在医学领域的深入应用,脊柱临床诊疗得到了有效地辅助。在计算机辅助手术中,对脊柱模型进行三维重建,利用体测量、体切割与体配准等操作可以完成精确的术前模拟,这彻底改变了传统手术模式,极大地提高了手术的准确性与成功率。如何利用体可视化技术提供所需的高质量三维图像,以及如何开发人机交互友好的辅助手术系统以满足脊柱手术精度与安全要求,成为当前亟需解决的问题。本文面向脊柱手术应用要求,开发计算机辅助矫形系统。针对上述问题,本文深入研究三维模型重建、矫形手术中交互仿真技术及其实现方案。总的来说,本文取得以下研究成果:1)为实现高质量三维重建,本文重点研究了可视化技术中的面绘制和体绘制算法,结合二者的渲染结果,为医生呈现了互补的三维信息。具体实现了基于移动立方体(MC)算法的单层与双层等值面绘制;考虑光线投射算法流程的各个细节,实现了基于GPU端的等值面、材质索引与改进Blinn-Phong光照模型的光线投射体绘制。在兼顾模型表面光滑度与图像真实感的同时,很好地达到了三维实时渲染。2)在制定脊柱矫形手术方案时,需要掌握脊柱病变区域的各组织病理情况。本文研究了基于体绘制的交互操作算法,注重体绘制端的交互功能实现,充分考虑软组织与脊柱之间可能的遮挡,在不影响绘制效率下实现了闭合不规则体切割,可以对截骨部位进行无遮挡观察,为面绘制环境下矫形手术提供了指导。3)为辅助制定科学合理的脊柱矫形手术方案,本文研究了基于面绘制、配准技术和快速成型技术的计算机辅助手术方法。深入分析空间模型姿态变换的原理,三维图形拾取机制,实现了模型坐标点定位和测量;讨论了针对三角面片模型的平面切割方法,并采用刚性配准技术实现脊柱截骨后上下切口的融合,最后经模型测量完成矫形方案设计与效果评估。为方便模型在各CAD系统间的传输以及实体制造,本文将三角面片群保存成为了STL格式的快速成型文件。4)基于上述成果,本文设计并实现了基于体可视化的计算机辅助脊柱矫形系统。详细介绍了系统的设计思路、整体框架、功能模块及其关键技术;实际的仿真结果和病例试验证明系统能比较直观、精确地反映矫形效果,可为矫形手术方案的制定提供较为科学的依据,同时也具有较好的可扩展性与工程参考意义。