虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的典型应用,在医疗培训、手术规划、术中导航等多方面可以帮助提高手术成功率,降低医疗成本,正成为医疗领域的研究热点和前沿课题。虚拟手术仿真系统的建立涉及到多种学科的交叉和渗透,研究难度较大,很多功能模块还不够完善。本文紧紧围绕虚拟手术仿真系统中的关键技术,重点研究软组织建模方法及碰撞检测算法两个核心模块,在满足系统实时性的条件下,提高软组织模型变形精度。对软组织的生物力学特性进行研究,重点分析其中的粘弹性特性,将粘弹性理论作为软组织建模依据;采用面模型与四面体网格单元相辅相成的方法建立几何模型,面模型覆盖在外表面用于视觉渲染,四面体网格单元用于物理模型的骨架支撑,使模型具有更好的视觉效果以及形变效果,增强了模型的逼真度;对软组织物理建模方法归纳总结,为软组织模型优化奠定基础。针对软组织模型粘弹性表现不足的问题,基于四面体网格拓扑结构,将三参量粘弹结构与填充球模型相结合,提出软组织粘弹性混合填充球模型。该模型是将填充球体布置在四面体网格顶点处,三参量粘弹结构连接相邻的填充球,构成四面体四条边,表现出了模型的“体”特性。该方法解决了传统质点-弹簧模型塌陷失真、粘弹性特性缺乏的问题,提高了模型形变精度。基于改进算法对肝脏器官成功建立粘弹性混合填充球模型,证明该建模方法可行、有效。基于软体实时形变的特点,采用AABB包围盒法自顶向下对虚拟对象构建包围盒树,降低计算复杂度,提高实时性。以肝脏器官模型与手术器械为例,建立AABB包围盒,实现刚体与软体之间的碰撞检测,证明碰撞检测算法的有效性;采用弹簧-阻尼模型实现反馈力的计算,增强了虚拟手术的真实感。为验证软组织模型形变正确性,搭建虚拟手术仿真平台,通过力反馈设备对肝脏模型施加力,证明模型在力作用下的形变效果良好;完成应力-应变仿真实验,证明模型具有良好的松弛特性及蠕变特性。