随着医疗水平的不断提升,人们对医师的手术技能期望也越来越高。椎弓根钉准确置入是脊柱外科手术医生必须掌握的技能之一,现阶段的训练方式通常是在脊柱的标本或者基于假人的训练模拟器上练习椎弓根钉置入过程,但是由于样本的稀缺性以及成本的高昂性,实习医师很难有足够的机会进行相应的手术训练。随着高新技术日新月异的发展,科研人员提出将临床医学与虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术相结合而发展的虚拟手术仿真系统(Virtual Reality Surgery System,VRSS),为医生培训提供了新思路。本文基于虚拟现实的椎弓根钉置入手术仿真系统关键技术进行研究,旨在搭建更完善的虚拟手术系统。本文主要贡献如下:首先,本文对一个完整的虚拟手术系统进行需求分析,设计了面向椎弓根钉置入手术的虚拟仿真系统的整体框架,确立了基于触觉与视觉双交互通道仿真系统的框架。从软硬件两个方面对系统进行设计,软件部分采用OpenGL(Open Graphics Library)图形渲染库实现图形渲染实现视觉交互,OpenHaptics触觉渲染库进行二次开发实现触觉渲染,设计了椎弓根钉置入手术仿真系统的软件实现方案;然后,为了更好的还原真实手术场景,本文使用真实的人体CT数据进行三维重建。首先对医院所采集的CT图形进行预处理,然后在图像分割过程中使用基于区域生长方法与图像融合方法相结合的技术实现感兴趣区域的提取,最后基于移动立方体算法(Marching Cube,MC)实现脊柱解剖模型三维可视化。本文所搭建的三维重建模块支持旋转、缩放以及任意切片的裁剪,是虚拟手术系统的重要组成部分;接着,搭建了椎弓根钉置入手术过程中高速旋转的骨钻和骨组织之间相接触时的力预测模型。高效的碰撞检测算法对系统中虚拟手术器械与手术对象进行实时的检测,若检测碰撞结果为“是”,则将冲量动力学原理用于本文的椎弓根钉置入虚拟手术中,根据骨钻的状态信息对力的大小实时预测更新,然后由力反馈设备传递给使用者,实现虚拟手术的力触觉交互;最后,本文使用基于 CUDA(Compute Unified Device Architecture)的 GPU(Graphics Processing Unit)加速技术,实现了椎弓根钉置入手术的钻骨手术操作模拟。CPU与GPU分工合作,对海量的体素节点信息进行存储与信息传递,大大加速了视觉与触觉的响应速度,提高了刷新率与实时性,为实现基于混合数据模型的椎弓根钉操作仿真提供了可能。最终完成对各个模块进行集成,并在所搭建的虚拟手术系统中进行钻骨仿真实验。仿真实验结果表明,利用该技术搭建的椎弓根钉置入仿真系统,视频流刷新率在30Hz以上,触觉响应刷新率在500Hz以上,可以有效再现椎弓根钉置入的虚拟操作。