传统的计算机辅助微创脊柱手术导航系统主要把术前三维医学影像信息与术中病人空间信息进行配准,对病灶进行精确定位,从而指导医生进行手术穿刺操作。然而,在医生根据配准结果进行相应的穿刺过程中伴随着患者体位移动或呼吸影响,配准会出现偏差,导致穿刺不准确。因此医生在术中不能完全信任配准结果,还需要实时观察或掌握整个穿刺进程,实时检查穿刺的准确性,避免因穿刺偏差给患者带来伤害。通常医生在微创脊柱手术中采用定时拍摄大量X光片的手段来掌握穿刺手术效果,这既会降低手术效率也会造成过量的辐射。因此,本文应用增强现实技术,开发了面向脊柱手术的增强现实导航系统,帮助医生实现对术中整个手术穿刺过程的实时监测。本文对增强现实脊柱手术导航系统中的硬件和软件构成分别进行了介绍。在硬件平台上,使用高清摄像机来实时捕捉手术场景并传输给计算机,通过计算机得到虚实配准后的视频信号由3D显示器实时输出,术中使用NDI实时跟踪手术工具,并借助X光机检验手术穿刺的精度。在软件平台上,包含了视频采集、摄像机标定、和三维注册等模块,实现实时监控整个手术穿刺的进程。另外对整个增强现实导航系统的流程进行了详细介绍,并阐述了各软硬件模块之间的坐标转换关系。本文在摄像机实时采集的视频中实现虚实配准,对摄像机的成像模型进行了分析,在摄像机成像原理的基础上对摄像机的标定算法进行了研究,深入分析了摄像机两步标定法的算法原理和实现过程,并用两步标定法对摄像机进行了标定,计算出其内参、外参和畸变参数。为了得到符合要求的虚拟模型,对三维重建技术进行了研究,分析了 MC算法的实现原理,并且基于MC算法对脊柱CT图像进行了三维重建,对重建后的三维模型进行了材质、光照、透明度等参数的优化调整,以满足交互需求。同时对三维配准算法进行了研究,分析了虚实配准算法中各个坐标系之间的转换关系并计算出每一帧图像的注册矩阵,将符合条件的虚拟脊柱模型与手术场景进行了虚实配准。本文在脊柱模型上固连了标志点,采用了基于标志点的配准方法,结合ARToolKit开发工具包,在VS2010环境下整合了三维导航模块和增强现实模块,使用标识法进行配准,并且完成了配准实验。针对标识法在实验过程中的不足,对开发工具包的功能进行了改进,并完成了实验,改进后的标识法对实验的操作性和精度都有了一定提升。针对单个摄像机条件下配准精度不足的情况,本文增加了多视线、多角度配准的功能。在原先的硬件基础上再增加摄像机,两台摄像机以不同的角度获取手术场景,并在各自的视频信号中同时进行了虚实配准。经实验验证,多角度的配准方法能够有效提升配准精度。最后,搭建了基于增强现实技术的脊柱手术导航平台,对本文的相机标定、虚实配准等方法进行了实验验证。为了最大程度还原出真实的手术情景,本文使用硅胶代替皮肤和肌肉组织包裹住脊柱模型,在肉眼看不到脊柱的情况下完成穿刺实验。在术前用三维导航模块将脊柱模型的CT图片与脊柱模型进行术前配准,得到配准参数,然后进行手术操作。术中,用增强现实模块实时呈现脊柱形态和脊柱与手术工具的相对位置,监测整个手术过程。通过计算,虚实配准误差在2.5mm左右,能够满足术中实时还原出患者皮肤下脊柱形态的精度要求,从而指导医生进行手术,提高手术成功率。