体积显示一直是三维可视化技术研究中的关键课题之一。随着医学成像技术的不断提高，它在医学应用中的作用越来越重要，但是，由于传统的体积显示方法计算量较大，难以达到实时交互的效果。基于图形硬件的加速算法虽然使得体积显示的速度大幅度提高，但硬件增加成本，因而如何利用软件提高大数据量图像处理算法的效率是一个值得研究的问题。 本文首先对三维可视化技术中的经典算法：Marching Cube算法和光线跟踪算法的基本原理做了详细说明，然后对Intel多媒体指令的特点做了归纳和讨论。在此基础之上，用多媒体指令对体积显示中的光线跟踪算法进行了加速研究，分别在光线扫描、重采样和坐标变换部分实现了单指令多数据操作，使得其计算效率得到了大幅度的提高。总结出了多媒体指令在图像处理算法中高效使用的一些特点，并将其推广到其他的图像处理算法。在CT重建的卷积滤波中，通过使用Intel多媒体指令中的SSE指令操作，滤波时间大幅度减少，提高了CT实时成像的能力。 在理论研究的基础之上，实现了可视化系统的开发。以实际应用为目的，详细讨论了一般手术导航系统的工作流程。并具体介绍了脑外科手术导航系统在系统构架、处理流程、数据结构和人机交互方面的理论和实现。最后对该系统的总体性能做了测试和评价，证实已经达到了临床应用的要求。