股骨头坏死(Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH)是由多种原因引起的股骨头血供破坏、骨细胞变性导致骨的活性成分死亡的病理过程,是骨伤科临床常见的疑难病症之一。股骨头坏死手术治疗后,功能的恢复和改善主要靠患者自身的锻炼和康复,即使是治疗后骨质稳定、股骨头形态良好的患者,疼痛、关节功能受限仍然是影响生活质量的重要原因。如何缓解局部疼痛、改善关节功能,就成为股骨头坏死治疗的重要环节,也是能否提高患者生活质量的关键。针刀疗法作为中医微创外治法的特色疗法,在骨伤科临床中已得到广泛运用,但是针刀作为一种闭合性的传统手术,无三维图像引导,因此不能直观的了解手术器械在空间中位置信息,其安全性和有效程度取决于术者对疾病的主观认识和施术部位解剖位置的掌握程度。由于操作者水平的参差不齐,产生副作用和并发症的机率大大增加,有时还会产生一些不可逆的损伤。本文针对传统手术中存在的局限性,研究了基于图像引导的手术导航技术以及相关的数学方法,在此基础上设计开发了主要用于针刀疗法改善股骨头关节功能障碍的手术导航系统。主要研究内容包括:1、详细研究了医学图像三维可视化技术的面绘制和体绘制技术,并着重介绍实现体绘制技术的典型算法,且分别在软件中实现光线投射法和基于GPU的光线投射法。基于GPU的光线投射法充分利用了通用图形硬件强大的并行处理能力,使绘制速度和性能得到极大的提高,能够满足手术中模体数据实时交互的绘制需求。2、详细研究了手术导航系统中常用的空间配准算法,以及特征点的选取方法。并实现基于特征点的空间配准,这种方法能够以最少的点获取所需的效果。3、详细研究了本文所搭建的手术导航系统的软硬件平台,并详细讨论了手术导航系统中常用的立体定位方法,新型磁定位针刀的设计,手术导航系统的软件框架及所实现的功能插件。同时介绍了本文所搭建的手术导航系统的模型试验和临床试验,相较于传统的手术取得了显著优势。