虚拟手术仿真系统研发涉及到众多交叉学科,包括影像学、图像处理、人机交互、计算机图形学、机械动力学、医学等,目前仍存在形变计算反馈频率与力反馈算法刷新频率低等问题。针对骨锯的虚拟切割手术中视、触觉反馈存在的问题,本文重点研究了三维组织建模、碰撞检测算法、锯切面实时重建和力模型几种技术,解决了多模态三维模型的构建、实时碰撞检测、锯切面的实时重建和力交互等问题,实现了一个融合视觉和触觉渲染于一体的基于骨锯的减小下颌角的虚拟正颌手术仿真系统。首先,基于三维组织建模技术,提出了多模态三维头骨数据建模方法。将头骨数据模型分解为内部体素模型和外部网格模型两种模态,以CT断层图像每个像素作为头骨内部体素顶点,头骨外层利用Marching Cube方法在体素内抽取出等值面网格,实现体数据与三角形网格数据在渲染和交互中相结合。其次,提出了一种基于骨锯的实时切割与重建算法,解决了虚拟手术系统中视觉反馈连续的问题。将一定时间内锯片划过的路径与立方体素进行碰撞检测,通过离散分布点的方式提取碰撞的立方体,实现了视觉的实时反馈。针对真实手术中锯切效果难以评估的问题,结合立方体边上精确的碰撞点位置,利用Marching Cube方法实现锯切面的实时重建。最后,基于骨锯的高速运转的机械特性,创建了锯切力反馈的触觉交互模型。针对骨锯的物理特性,将每个锯齿分为若干小的切割单元,判断每个切割单元是否浸入体素内部,分别计算每个切割单元上x、y和z方向上的受力,最后累加得到骨锯的受力并通过触觉设备反馈给操作者。力觉的刷新频率达到1000Hz,在保证了力觉交互真实性的同时也充分保证的力觉的连续性和鲁棒性。通过虚拟整形手术系统的评估和验证,本文研发的虚拟正颂手术训练系统,给实习医生或学生提供了一个真实感强、可重复操作的手术训练平台,满足了视觉和触觉反馈的实时需求。