虚拟手术系统是借助计算机技术创建三维虚拟手术环境,根据医学影像数据构建人体器官模型,并通过触觉交互设备对手术对象进行仿真操作,使医生获得真实的手术训练感官的系统。与传统的手术培训方式相比,虚拟手术系统可以使医生不受时间和空间上的约束对特定的组织器官进行重复性的手术训练,对于提高医生训练效率和降低医疗培训成本等方面具有重要意义。除此以外,虚拟手术系统还在术前手术规划与预测、术中辅助手术导航、术后康复训练与评价以及医疗教育等方面有着重要应用价值。本文围绕虚拟手术系统中的软组织建模、碰撞检测、力反馈计算等关键技术进行研究,搭建了具有视觉反馈和触觉交互功能的虚拟手术系统,并对软组织形变和切割仿真进行了实验验证。主要完成了以下工作:本文首先合理高效地架构了整个虚拟手术系统框架,将系统分为三大模块,包括手术场景建模与渲染模块、虚拟手术操作仿真与计算模块以及人机交互模块。介绍了系统的软件和硬件构成,并采用OpenGL图形引擎和Chai3D触觉引擎在Qt开发框架中完成了虚拟手术系统交互界面设计。为提高系统仿真效率,采用双线程并行的运行方式。随后完成了整个虚拟手术系统仿真平台搭建,实现虚拟手术仿真过程中的视觉反馈和触觉交互功能。其次,借助三维图像软件构造软组织几何模型,并设计了模型数据存储结构,为后续的仿真计算提供重要数据来源。对软组织的生物力学特性以及粘弹性模型进行了简单的分析。对比常见的软组织形变建模方法,提出了结合弹簧阻尼器的填充球物理建模方法。对离散填充球建立拓扑连接关系,并设立Voigt弹簧阻尼器实现了模型受力下的形变过程。随后对软组织几何模型与物理模型建立映射关系,实现了软组织模型的形变联动。然后,对软组织几何模型构造AABB层次包围盒树,实现了虚拟手术器械与软组织几何模型的碰撞检测,并根据软组织物理模型提出了一种填充球碰撞检测算法。采用代理点方法构造弹簧阻尼力反馈模型,并结合填充球碰撞检测算法对该力反馈模型进行改进。将虚拟手术器械与力反馈设备的进行姿态匹配,利用Omega7.0设备在系统仿真平台中完成对肝脏模型的按压形变仿真和夹持形变仿真。从形变位移、力反馈以及实时性三个方面对模型形变仿真结果进行实验验证,证明了本文方法的有效性。最后本文对软组织切割仿真进行研究。针对虚拟手术刀与软组织模型之间的碰撞检测,提出了基于时空一致性的优化方法,使用邻接三角面片搜索法,提高了碰撞检测效率。为了平衡切割仿真精度和系统计算的效率,采用渐进式表面网格切割方法。通过最近点移动、切割点分裂以及切口凹槽构造完成了切口绘制,并建立了切割力反馈模型,增强了切割仿真的真实感。最终在虚拟手术系统中完成了肝脏模型的切割仿真,实现了较为真实的切割视觉和触觉效果。