题目：手术磨削工具的三维定位与控制技术研究

近年来微创外科手术的不断发展对手术操作及其精度提出了更高的要求。如在手术入路打通、精确磨除等手术中，磨削工具由医生手工把持进行操作，出现意外时动力很难被及时切断，从而使手术的安全性面临很大挑战。快速发展的计算机辅助手术技术，其精确定位与手术规划优势更加明显，它延伸了医生的视觉范围，突破了传统手术的限制。因此在本课题的研究中将图像图形处理，三维定位和空间配准等技术结合在一起，探索将计算机手术导航系统与手术磨削工具控制的有机结合，使得医生可在术中实时的浏览病灶区域的三维模型，以及手术磨削工具与病灶部位的相对位置，引导手术磨削工具的行进路径，提高手术精度，为手工磨除提供了新的解决方案。

首先，本文详细描述了系统的总体设计方案以及工作原理，并对系统组成及在手术过程中的操作流程进行介绍，保证了可实现性和可操作性。在此基础之上，根据课题的研究目的，针对以下手术导航系统涉及的关键技术以及相应关键问题开展了深入的分析和研究：


三维重建技术是手术导航系统的基础。论文在对现有方法及各自优缺点分析研究之后，提出了由二维轮廓线集构造体数据，并由体数据重建三维模型的方法，针对重建模型表面不光滑的问题提出了基于面积场的三维重建创新算法，并对其实现原理及过程进行了详细描述。另外，采用“六连通扫描线法”实现了连通区域的三维重建。

空间定位，配准和变换技术是手术系统的核心部分。论文研究了定位原理以及阐述了手术磨削工具尖端注册的原理和过程，重点介绍了基于外部特征点的配准方法，并根据多个对应标记点的位置信息，分别使用最小二乘法和迭代最近点法确定了空间变换关系。

手术磨削工具的实时监控是手术导航系统的主要目的。论文详细阐述了磨削工具与磨削区域的相对位置关系确定和磨削工具与磨削区域边界距离计算的方法，并使用八叉树空间分区对距离计算进行加速。


其次，设计并搭建了手术导航系统，并对手术导航系统的设计进行了优化，使其符合手术需求并具有较好的交互性和可操作性。

最后通过仿真颅骨模型实验，模拟真实的手术环境，进行手术操作模拟术前规划、术中导航等手术操作步骤。实验的结果达到了课题的预期目标，为下一步的临床实验做好准备。