虚拟手术作为虚拟现实技术在临床医学中的一项典型应用,能够建立集视觉、触觉、听觉等多感知于一体的手术训练场景,对于转变传统医疗培训模式、提高医务人员业务水平具有重要价值。缝合是外科医生最需要训练的操作之一,也是虚拟手术环节中的重点与难点。然而,现有的虚拟手术缝合仿真系统难以准确表现出缝合线弯曲、扭转等结构特点,并且难以获得逼真的缝合交互效果,例如缝合线与软组织之间发生的缝合形变效果。为了解决上述问题,我们搭建了一套适用于肝外伤单纯缝合术的虚拟手术缝合仿真系统,并围绕其中缝合线建模与软组织形变建模两项关键技术开展研究。本文的主要贡献如下:首先,提出了一种基于kirchhoff弹性杆理论的缝合线模型。缝合线作为缝合手术中最重要的手术器械,传统的几何建模方法无法提供真实的反馈力,难以准确表现出缝合线弯曲、扭转等结构特点。不同于传统方法,我们提出的方法充分考虑了计算缝合线的拉伸、扭转以及弯曲弹力,采用改进欧拉方法求解运动方程,实现了虚拟手术缝合线各种动态行为模拟。为了有效避免打结过程中对碰撞的误检、漏检,提出了一种基于向量的自碰撞检测方法,并对缝合线添加排斥力计算,可以实现逼真的力反馈效果。此外,我们引入了自适应离散化策略,实现了高效的打结仿真操作。实验结果表明,与质点弹簧构建的缝合线模型相比,所提出的缝合线模型具有更高的真实度,能够完成复杂的打结模拟。其次,提出了一种基于生物特征的质点弹簧模型。缝合交互过程中,缝合线会导致软组织模型发生复杂形变,逼真的软组织建模可以显著提高虚拟手术系统的真实性。传统的质点弹簧模型仅能表现出单一的软组织粘弹性。不同于传统的质点弹簧模型,我们提出的基于生物特征的质点弹簧模型,由虚拟弹簧、阻尼弹簧和非线性弹簧组成。其中虚拟弹簧和阻尼弹簧能够较好地模拟出真实软组织的准不可压缩性与粘弹性,非线性弹簧实现了软组织的非线性。此外,该模型基于局部体网格建模,按功能划分为伤口区域与非伤口区域,进一步提高了计算效率。为了确保缝合线在软组织内部正确交互,我们在传统的滑动约束点方法中引入位置约束,并采用缝合控制方法对交互过程进行监督,避免了缝合线无法滑动及伤口二次开裂等问题。实验结果表明,我们提出的模型能够有效模拟出软组织的多种生物力学特性,取得了较为逼真的缝合交互效果。最后,搭建了一套适用于肝外伤单纯缝合术的虚拟手术缝合仿真系统。系统中包含视觉渲染模块、交互计算模块以及力反馈模块,可以真实再现手术打结与缝合操作。在该系统中进行了缝合交互仿真实验,实验结果表明该系统具有较高的实时性,本文所提出的模型和方法能够满足虚拟手术系统的实际需求。