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基于虚拟现实技术的手术系统采用视觉和触觉双重反馈机制,能够为手术训练者提供沉浸感很强的训练环境,从而提高手术受训者的训练效果和缩短训练周期,具有重要的研究意义和实用价值。本文在分析椎弓根钉手术训练置钉准确率和系统相关功能模块的基础上,完成了系统整体框架设计;使用三角网格优化算法简化网格数目,并借助面绘制算法实现了对椎弓根骨骼的重建,设计完成了骨骼与钻头间的碰撞检测;对钻削模型和麻花钻参数进行分析,重点设计实现了骨骼钻削的触觉反馈算法;最后完成了整个系统的软件设计实现与测试。本文的创新之处在于设计并优化了椎弓根钉的触觉反馈算法,通过使用骨骼CT灰度数据代替原力觉模型的密度数据,实现了钻削过程中的实时力觉信号反馈,使系统产生的力信号更具实时性和准确性;此外在骨骼等模型重建设计中,使用优化的局部重心度量边折叠三角网格简化算法,实现了对骨骼模型三角网格数目的缩减,提高了面绘制算法模型重建的速度。本文主要研究工作如下:(1)完成了基于虚拟现实触觉反馈技术的椎弓根钉手术训练系统的总体设计和功能模块分析。根据医生椎弓根钉手术难点,分析系统功能需求,设计椎弓根钉手术三维重建模块、碰撞检测模块、触觉反馈模块和手术训练导航等模块,完成了椎弓根钉手术训练系统的整体框架设计。(2)设计实现了系统三维重建及碰撞检测功能模块。通过优化基于局部重心度量边折叠算法缩减三角网格数目,减少模型三维重建的时间;再使用区域z缓存等技术优化了轴向平行包围盒AABB算法,提高模型间碰撞检测的效率。(3)设计实现了用于力觉交互的触觉反馈算法。通过对麻花钻钻削骨骼力觉模型的分析,推导出本文麻花钻钻削受力模型;与传统的利用骨骼密度的通用数据来计算反馈力大的小不同,通过本文算法模型中替代密度参数的CT真实骨骼灰度数据,使得力觉反馈信息更具实时性和准确性。(4)完成了椎弓根手术训练系统的软件设计实现与测试。在椎弓根钉手术训练系统软件的整体架构和总体功能设计的基础上,完成了椎弓根钉操作界面设计、椎弓根骨骼等模型的三维重建和手术步骤虚拟实现,并对系统功能模块进行了测试。