虚拟手术作为新型的外科手术辅助技术,在新手医生教学、远程医疗、术中导航以及术后康复等方面发挥着重要作用,可以减少医务人员的培训费用并极大地提高外科手术的成功率,因此虚拟手术的研究具有广阔的应用前景,正成为研究热点和前沿课题。虚拟手术仿真系统功能模块众多,其中实时形变模拟是虚拟手术系统中最为关键的部分,需要同时满足视觉逼真、模型形变真实和实时交互的要求,是研究中急需解决的难点问题。因此本文重点围绕虚拟手术的软组织建模方法和实时碰撞检测技术展开深入研究,并搭建虚拟手术仿真系统。主要研究内容如下:(1)软组织几何建模方面,采用面模型与体模型耦合的方法建立几何模型。高精度的表面三角形面网格用于视觉渲染,表达器官模型更加真实的纹理细节等。基于Delaunay网格剖分算法将软组织简化后的面模型划分成四面体网格,四面体网格用于形变计算,以体现软组织的物理特性,并给出了面模型与体模型耦合的方法。最后对软组织形变建模方法归纳总结,比较其各自优缺点,为软组织的形变建模奠定基础。(2)采用位置动力学的算法对软组织形变建模。首先分析位置动力学模型的数学原理、具体算法,推导了算法约束条件;通过赋予体模型拉伸约束、弯曲约束和体积不变约束,以表现软组织的弹性、不可弯曲特性和不可压缩特性;最后以肝脏模型为例进行形变模拟实验,模型具有视觉真实性和良好的形变效果。(3)分析比较多种碰撞检测算法的优缺点后,针对虚拟手术中软组织实时形变的特性,提出自顶向下的局部混合层次包围盒树法,以达到检测计算的实时性和精确性。虚拟手术器械前端建立Sphere包围盒,肝脏器官模型建立局部Sphere-AABB混合包围盒树,给出虚拟器械与软体之间的检测流程并完成二者的碰撞检测。(4)设计并搭建了基于触觉反馈技术的虚拟手术仿真系统,实现了用户和仿真系统的人机交互,提高了虚拟手术的沉浸感。借助力反馈设备对肝脏等模型进行多组形变仿真实验及时间效率分析,实验结果表明:虚拟软组织渲染了丰富的纹理信息,具有逼真的视觉效果;在手术操作下模型的形变效果真实,与质点弹簧方法相比具有更高的稳定性;同时虚拟手术系统的帧率达到60帧/秒以上,满足虚拟手术实时性的要求。