虚拟现实技术是近年来兴起的一项综合信息技术，它是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机、复杂数据交互的技术。虚拟现实技术所特有的实时三维空间表现能力、自然的人机交互操作方式、给人带来的身临其境感受，从根本上改变了人与计算机、复杂数据之间枯燥、晦涩和被动的关系，为人机交互技术开创了全新的局面。虚拟现实技术是一门实用技术，它在航空航天、军事科学、机械工程、设计规划、教育培训、影视娱乐和医学研究等诸多领域中起着其它相关技术无法代替的作用。随着虚拟现实技术的发展和应用范围的推广，它必将对人类的生活、生产和发展方式带来全面而深刻的冲击与变革。虚拟现实技术同现代医学相结合产生了手术仿真系统，也称为虚拟手术系统，它是一个融计算机图形学、计算机图像处技术、计算机视觉、传感器技术、生物力学、现代医学、科学计算可视化等多种技术为一体的多学科交叉技术。手术仿真系统为用户提供了一个直接而又“真实”的操作方式，用户不仅可以直接观察虚拟手术场景的变化，还可以通过力反馈装置实现的虚拟手术器械同虚拟病体交互，进行虚拟手术操作。所有的这一切就像真实发生的过程，然而这只是可重复、可控的虚拟交互过程，这使得虚拟手术成为外科医生训练、手术效果预测和手术导航等的理想平台。 本文首先阐述了虚拟现实技术和手术仿真系统的基本原理和构成模块。在此基础上，对手术仿真系统的关键性技术进行了深入的研究，并提出了相应的解决方案。这些关键性技术包括：实时三维场景的绘制、基于力反馈的触觉绘制、实时碰撞检测技术、软组织变形模型、有限元单元网格的生成、大变形下的软组织快速有限元模型、软组织近似不可压缩模型和血管微创介入过程的仿真等。 在实时三维场景绘制方面，本文提出了采用三维体积数据变形法将体积数据随软组织模型的单元一起变形，生成的体积数据同软组织的变形保持一致，从而解决了体绘制不能反映软组织变形的问题。另外本文研究了立体视觉的显示方式与原理，并将之应用到虚拟手术场景的显示中，有效地提高了仿真的真实感和沉浸性。 在触觉绘制方面，本文重点研究了基于力反馈装置的触觉绘制技术，并将PHANTOM Desktop装置集成到系统中，用于控制虚拟手术器械的运动和同软组织交互的触觉绘制。针对手术器械同软组织之间的碰撞检测问题，本文提出了基于体积数据变形的碰撞检测方法，该方法在变形的体积数据中附加了体素所属的单元信息，根据该信息可以判断体素是否在软组织的某个单元内，从而判断体素所在空间是否同软组织发生了碰撞。 在软组织变形模型方面，本文研究了各种变形模型，并指出各自优缺点和未来软组织模型发展的方向。 在有限元网格自动生成方面，本文提出了一种可将体积数据空间中的任意形状的区域划分为四面体网格的算法，该算法通过确定每个结点同其邻域中的其它结点所构成的四面体关系建立区域的四面体网格。由于采用了特殊的结点分布方案，所产生的四面体是正四面体或接近正四面体，生成的网格形态好。算法的计算量和网格单元数量呈线性关系。并且算法可以从三维体积数据直接建立网格，简化了网格创建的过程。 针对软组织的大变形，本文研究了St． Venant-Kirchhoff弹性模型，指出其使用显式积分法来模拟软组织变形的动态行为存在计算量大、稳定性差的问题，进而提出了一种通过共轭梯度法来模拟粘弹性软组织变形能量下降过程的算法，不仅有效地减小了仿真的计算量，而且计算稳定性良好。 针对软组织的近似不可压缩性，本文提出了一种抗单元逆转的软组织有限元模型，通过把单元压缩率和单元内压强关系引入到材料的本构方程中，有效地防止单元的逆转畸变。仿真结果表明该方法不仅提高了变形模拟的稳定性，而且忠实地反映了软组织大变形下的近似不可压缩性。 在血管介入手术过程的仿真方面，本文提出了一种引导线的有限元模型和血管的简化有限元模型，有效地简化了引导线同血管交互的仿真。 针对今后的研究工作，本文指出需要进一步完善触觉的绘制手段，提高触觉绘制的真实感，深入研究软组织的力学特性，建立更真实、高效的变形和切割模型。