虚拟手术仿真系统在辅助低年资医生进行手术训练方面具有重要意义,可以帮助他们快速掌握手术操作技巧。针对当前虚拟手术仿真系统三维重建的软组织模型网格复杂不利于手术系统流畅性、生物力学模型准确度较低、二维显示画面缺乏沉浸感等问题,本文设计了边折叠算法对软组织模型简化,提高了虚拟手术仿真系统的流畅性,并基于非线性弹簧模型构建了本文的生物力学模型,可以准确的描述软组织的力学特性,最后设计3D立体显示系统,将其应用到虚拟手术仿真系统中,增强了虚拟手术仿真系统的沉浸感。论文主要工作内容如下:首先,针对基于医学图像三维重建的软组织器官几何模型存在的网格冗余、手术系统流畅性与实时性不好的问题,分析虚拟手术仿真系统对几何模型的具体需求,改进了传统边折叠简化算法对网格简化。该算法将几何模型划分为手术区与非手术区,对两个区域实行不同的简化策略;引入新的折叠代价计算因子,优化边折叠先后顺序;根据顶点邻域三角形面积,确定新生成顶点位置。最后进行实验对比,改进算法生成的组织模型的特征保持程度较为完整,模型加载速度提高了24.2%,对网格遍历时帧率提高了52.9帧,有效提高了手术系统流畅性。其次,针对目前大多数的虚拟手术仿真系统力学计算不精准的问题,本文基于非线性弹簧模型建立了软组织的生物力学模型。为了将真实的力反馈呈现给医生,进行了离体心脏穿刺的力学实验,根据实际穿刺实验数据求解本文的生物力学模型参数。实验结果表明,本文的力学模型计算出的交互力与实际交互力平均误差为0.017N,准确度较高。再次,针对现阶段大多数手术系统的显示模块无法传递深度信息,缺乏立体感的问题,设计了3D立体显示子系统。采用主动快门式立体显示方案实现虚拟手术仿真系统的立体显示,有效提高了虚拟手术仿真系统的沉浸感。最后,本文基于Touch设备实现了完整的虚拟手术仿真系统。通过3DS Max绘制模型,搭建出手术室场景。分别设计了碰撞检测模块与触觉反馈模块,并绘制UI交互界面,实现了一套完整的虚拟手术仿真系统。最后进行了性能测试,结果表明本文的虚拟手术系统具有较好的临场感,触觉真实,系统运行流畅。