拟并制订手术计划，有术前图像处理(分割、配准和融合等)与显示、三维图像重建、手术路径优化等几部分内容；术中导航和操作是在手术进行时完成的，分为术中图像获取、处理与显示，术中定位和导航，最后由人机交互完成手术。手术完成后，必须进行手术效果评估，以确定手术的质量。 2.3 CAS 系统中的关键技术
CAS 系统主要有以下几项关键技术：医学成像技术、图像处理技术、三维重建技术、空间配准技术。 2.4 本章小结
本章主要介绍了计算机辅助手术中的五项关键技术，即医学成像技术、图像处理技术、三维重建技术、空间定位技术和空间配准技术。并分析了各自的基本原理、应用概况，以及在CAS系统中的作用和地位，为接下来的工作作铺垫。
1. 二维三维医学图像可视化处理。 1.1 科学计算可视化技术
科学计算可视化( Visualization in Scientific Computing，简称可视化技术)，意指运用计算机图形学技术和图像处理技术，将通过科学计算或者数据采集获得的数据（如有限元分析数据，医学数据）转换为图像的过程。可视化技术的目的在于能用图形图像的方式直观、形象地观察和认识客观事物，用图形图像表示数据，把人们很难理解的抽象的数据场转换为形象直观的图像信息，并结合人机交互技术进行分析解释。现在，随着电子技术、计算机技术以及相关学科的迅速发
展，可视化技术的含义已经大大扩展。不仅包括了科学计算数据的可视化，还包括工程计算数据、测量数据等的可视化，比如有限元分析结果，还有用于医疗领域、勘探领域数据可视化等。主要涉及以下几种：
(1) 数据可视化
包括科学计算数据、工程数据、测量数据等可视化。以医学三维成像技术为例，将CT扫描、核磁共振等二维平面图像便换成三维立体图像，提供直观的三维信息以供诊断和手术决策的软件已达到临床应用的水平。 (2) 信息可视化
主要是对非空间数据也就是抽象数据进行表示、检索等，为了更好地认识，需要了解这些抽象数据之间的相互关系，从中发现一些新的信息。例如物理学中对物理试验得到的试验数据进行分析，如流体动力学分析，得到物体发展规律，预测物体的变化方向。 (3) 知识可视化
知识可视化是一个新兴的研究领域，主要用来提高两个或两个以上的人之间知识的传播与创新。如信息可视化，可在具有大量高维信息的金融、通信和商业领域中发现数据中隐含的内在规律，为决策提供依据。事实上，可视化已成为许多领域必不可少的计算机辅助后置数据处理部分。
医学图像可视化系统的现状
医学图像可视化己经经历了十多年的发展，国际上很多著名的科研机
构都致力于可视化系统方面的研究，部分甚至己经产品化了。由美国国家健康协会(NationalhistituteofHealth)给出的一份临床医学图像处理软件的名单阴是目前在网络上能够搜索到的较全面和详细的相关产品目录。其中包括了有关图像处理、可视化、图像配准、图像分割等多方面的图像处理软件系统。单就可视化方面的软件，目前共罗列了有36种。通过调研，我们着重借鉴了下面这些软件的优点，将之结合到我们的可视化系统中。该软件支持多模态图像，是GenevaPACS系统的一部分。系统的平台无关性和对多模态图像的分析处理是较高级的系统软件功能。这些将是我们可视化系统下一步的发展方向。Tomo巧sion是目前世界上最早实现与Dicom兼容的软件的一家公司自2001年4月发行了sliCeomatic4.2后至今，一直没有新产品或更新版本出现。软件致力于CT和MRI图像中有关器官的分割和标注，这些都是绘制前的预处理，也正是我们系统目前欠缺的一部分。其中，VolView是备受关注的一个用途广泛的体可视化应用程序。由Kitware公司生产，既支持Windows平台，又支持Unix平台。VolView提供了多分辨率、多处理器支持的光线投射方法实现精确的绘制。或者利用二维硬件纹理映射或VolulnePro体绘制硬件在生物医学可视化、模拟和仿真、体图形学等多个应用领域达到较好的可交互的绘制速度。此外，还包括了丰富的体可视化特色，比如最大最小强度和合成模式，传递函数的预设和编辑，多光源设置等。这些出色的特点，都已在我们的系统中很好的实现了。是一个基于unix平台的体可视化系统，将众多可视化方法结合成一个功能强大的可视化系统中，为可视化研
究者、开发人员、科学家和工程师提供了一个灵活的工具。VisualiZationLab一直在继续研究和扩展VolVis系统的功能、用途和稳定性。对VolVis系统的学习可以帮助我们更好的实现系统从windows平台到Unix平台的移植。此外，VTK是又的一个支持多平台(Unix、Linux和Win32)的免费软件系统。VTK开放所有源码，支持三维计算机图形学、图像处理和可视化等。VTK包括一个C+十类库和一个解释性接口层。类库的设计和实现都是基于面向对象原则。VTK不仅提供可视化几何图形，而且还支持大量的可视化算法，包括标量、向量、张量、纹理和体元的算法:网状三维物体的平滑剪切，多边形减少等高级建模技术。正是VTK提供的这些优越的特色，吸引我们决定选用VTK作为系统的软件支持。除那些可免费获取的软件外，一些性能优越的商业系统也吸引了我们的目光。是新一代三维影像系统的代表，具有速度快，操作容易和应用领域广泛的特点，能够适用于医院大量的日常影像工作。巧廿段过与其他的可视化系统类似，提供了很多丰富的可视化调节功能，但是他拥有的一项关键技术是其他可视化系统中未涉及的，也是本文重点关注的。VitreaZ首次提出了显示协议的思想。系统中定制了一系列能够自动优化的显示协议，使得整个影像操作快捷简单。对于VitreaZ所提及的显示协议的研究和实现是本论文要重点解决的问题。 三维影像工作站
三维影像工作站除具备高质量的可视化软件外，还配备高性能的硬件支持。通常，影像丁作站提供强大的图像处理功能，海量存储，
网络支持等丰富的功能和特色，并提供方便、友好的人机交互接口。由于医学图像数据的海量特征，医学图像可视化通常都是在影像工作站甚至小型机上实现的，然而即使如此，可视化速度(尤其是体绘制速度)受计算机硬件条件的限制，一直达不到令人满意的效果。目前使用的可视化系统基本上都是基于面绘制的。由于面绘制本身的特点 (不能保留物体的内部信息)，限制了医学图像可视化发挥更大的作用。虽然，目前很多大医院都配有三维影像工作站，利用工作站医生们可以将病人的多幅二维图像重构成三维的形体，并直观地显示出来。从而一改医生们只能凭经验由多幅一维图像去估计病灶的大小和形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系而给治疗带来困难这一现状。但是要获得一个好的可视化效果，对专业知识的要求很强。医生通常不会具有专业的可视化技术，因而，繁琐的参数设置和调节，给医生带来很多不便，同时降低了诊断效率。目前的可视化软件需要很多的手工设置和调整，这样即使对专业人员而言，达到最佳的显示效果也很不易。一幅图像的显示，少则需要10多分钟，多则需要1~2小时。耗时自不用多言，更重要的是医生们渐渐对工作站失去兴趣和耐心，都不愿去用它。从而又导致了设备的闲置和资源的浪费。
考虑到三维医学图像可视化的重要性和目前大部分三维影像工作站存在的问题，我们研究小组致力于新一代三维医学图像可视化系统的研究和开发。我们设计了一种软硬件结合的方法，开发了实时体绘制可视化系统，并在此基础上，针对三维影像工作站实用性差的问题，提出了可供选择的显示协议的思想，能够对不同数据的显示目的