神经外科导航系统(Neurosurgery Navigation System,NNS)通过将现代影像、空间定位、先进计算机等技术结合,使医师能够在术前充分评估患者情况并详细规划手术路径、方案。在术中可通过对手术器械的精确导航,使外科手术更加微创化。又可通过对手术过程中数据的记录分析,在术后进行手术评估。因此,神经外科导航系统对于提高手术成功率、减少手术创伤、优化手术路径等具有十分重要的意义。国外对于手术导航系统的研究起步比较早,技术也相对成熟。我国高端数字化设备的基础仍较为薄弱,并且缺乏自主创新和独立知识产权。多数大型神经外科中心的导航设备都依赖于国外进口产品。随着微创化神经外科理念在我国各级医院的推广,国内神经外科基层单位对导航技术的需求日益增强,迫切需要技术先进、操作简便和价格低廉的国产化神经导航设备。因此,论文针对神经外科导航系统中的两大主要功能,即术前手术规划和术中定位开展研究。其主要研究内容如下:1、在术前手术规划中,应用基于三维模型的多模态数据配准和融合方法,得到全面的软组织与骨组织信息,建立三维立体虚拟模型,从而直观显示出各组织结构之间的关系。并通过3D打印技术,制作出该虚拟模型的实体解剖模型,由此探索3D打印技术在颅内肿瘤疾病治疗中的应用。2、在术中定位方面,通过对各种常用导航立体定位方法的比较分析,选定基于双目视觉的立体定位方法,并研究分析了双目立体视觉系统三维定位和立体匹配原理,最终搭建出一个简易的双目立体视觉硬件平台。3、针对导航中探针的识别与定位,提出一种基于鞍点检测原理的X角点检测方法,可快速、精确识别出探针上附着的定位标志点。通过基于全局优化的立体匹配方法对上述定位标志点进行立体匹配得到其空间坐标。然后采用基于立体视觉的探针标定方法,得到探针针尖点与定位标志点的精确位置关系。最终根据标志点和探针针尖点之间的坐标变换关系,得到针尖点空间坐标,从而实现探针的精确空间定位。4、针对导航空间配准问题,提出一种图像空间和手术空间多点自动配准算法。该算法将术前计划的三维立体虚拟模型、术中真实病人以及手术器械三者统一到同一坐标系下,并通过实验研究探讨了影响配准精度的原因,由此进一步提高了导航系统的定位精度。