髓内钉内固定术现阶段是腿部股骨及胫骨骨折的首选治疗方案,但在临床手术中髓内钉远端孔的锁定给医生造成了很大的困难。传统的锁定手术往往会在X光机的透视下进行,这会导致大剂量的射线暴露,并且给予手术医生的指示效果并不直观,术中反复的透视操作也会消耗大量的时间。本文对现有辅助系统的优势与弊端进行了分析研究,结合计算机图形学、骨外科医学和增强现实技术,在移动式C形臂X光机的基础上开发了一套增强现实骨科手术平台,同时在传统手术操作流程的基础上,开发了术前钉孔对准算法和术中钻孔导航方案,有效地辅助医生进行钻孔定位操作。本论文首先对X射线与摄像头光学成像模型进行分析,论证其虚实融合的理论基础,再针对髓内钉远端锁定中的钻孔操作需求,提出了法线重合配准方式。根据系统工作原理,设计滑动摄像头架与十字标定靶,对系统平台进行硬件搭建。该增强现实系统在C臂机上附加一个摄像头拍摄现实手术场景实时影像,并使用十字靶标定获取图像融合的变换规律,仅需要完成一次标定即可实现术中稳定的虚实图像融合。而对于X光透视下十字靶对准的困难,本文提出了一种基于视差的视频导航辅助配准方法。对于钻孔锁定术前的钉孔对准流程,本文开发了基于光流法和神经网络的辅助对准方法。首先使用光流法识取皮肤表面的标识移动,将运动位移信息迭代入标定好的融合投影矩阵,再建立神经网络对髓内钉的三维模型进行特征训练,训练完成后再对X光透视图中钉孔形状进行识别,预测髓内钉的偏转角度对其进行转动对准。最后根据其中的运动自由度要求设计一个可精确转动角度的腿部夹具辅助医生根据增强现实影像信息达到钉孔对准状态。对于术中钻孔操作的导航,本文设计了一个可定位导钻套。依靠钻头轴线上两点与透视图中钉孔重合的方式来确定位姿,并控制钻头入路过程中的方向不发生偏移,并且针对导钻套的误差开发了一种基于最小二乘法的交比拟合算法。最后为了解决计算中的噪声,采用Kalman滤波对计算结果进行平滑处理,从而达到稳定的导航定位效果。最后为了验证本增强现实手术导航系统的效果,进行了图像融合精度、钉孔对准精度和骨模钻孔实验,其中图像融合平均误差为0.788mm,钉孔平面对准平均误差为0.893mm,钉孔旋转角度预测满足钻孔要求比率为98%,骨模钻孔实验平均花费时间约为2:58min,钻孔实验整体成功率为85%。基本证明了该增强现实手术导航系统在临床场景中的可行性,并且对术中手术操作具有较好的指导效果。