随着计算机技术与现代医学的深入结合,虚拟现实技术在医学领域的应用越来越广泛。虚拟手术系统的目的在于创建现实手术的虚拟仿真过程,不仅包括手术环境内的物质形态(如皮肤、组织、体液等),也包含手术过程中物质的形变、碰撞、运动、反弹等行为。现代医学中,微创手术、内窥镜手术等日趋发展和成熟,医生不用直接接触病人器官就可以进行手术,但对医生的准确度和熟练性有很高的要求。虚拟手术仿真系统中,视觉反馈是重要的人机交互方式,系统应提供兼具真实感和实时性的反馈效果,增强用户体验,增强手术训练效果。血液是人体必不可少的组成部分,器官或者皮肤表面出血也是手术过程中比较常见的现象,因此表面血流模拟是虚拟手术系统的重要组成部分之一。本文围绕表面血流仿真进行了以下主要工作:首先,实现软组织表面切割现象的仿真。切口是血液的源头,切口的实现为进一步的血流仿真提供必要的初始化信息,是血流仿真的基础。介绍现有的软组织切割技术,分析优缺点并进行对比,选择基于顶点拆分的改进算法实现软组织表面切割现象的仿真。其次,对不可压缩牛顿流体控制方程进行改进。在研究表面血流仿真时,没有考虑到表面粗糙度对血液运动属性的影响,降低了血流仿真的真实感。为此,本文改进牛顿流体控制方程的外力项,将表面粗糙度的影响量化为相应大小的摩擦力附加到控制方程的外力项上,从而使表面血流的仿真过程更加符合真实的物理规律。进而,提出基于光滑粒子流体动力学(Smooth particle hydrodynamics,SPH)及形状约束相结合的数值求解方法。使用SPH法求解血液的流体速度,在此基础上采用形状约束算法求解血液的固体速度,然后对两种方法求得的速度进行线性插值得到血液的实际速度。形状约束算法实现了血液的粘弹性效果,避免了 SPH法中粘滞力的复杂求解过程,降低了计算量,提高了系统的实时性。最后,集成每个章节的内容设计开发了表面血流仿真原型系统,并进行实验验证了本文算法的可行性。实验结果表明,本文算法能够很好地体现表面粗糙度对血流的影响,且在满足真实感的前提下提高了系统实时性,对医生临床手术操作有一定的指导意义,具有广泛的应用前景。