虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的重要应用,也是近年来的研究热点和前沿课题。虚拟手术主要用于手术规划、手术训练、术中导航、远程操作、记录和回放手术过程等,大大节省了医疗培训成本和培训时间,能够给予操作者沉浸感和真实感的手术体验,从而达到快速提高学习者技能、提升培训质量和改善医疗水平等目的。虚拟手术为现代医学技术的发展提供了广阔的平台,但是也面临着艰巨而崭新的挑战。虚拟手术的评价主要由视觉信息和力学信息两部分组成:手术场景的搭建、医学图像的处理及软组织的形变、切割、缝合等以直观的视觉场景和图像的方式展现;虚拟环境中力的操作与感知则是力觉信息的表达。目前虚拟手术的研究中,仿真速度与仿真精度之间的矛盾是一大难题,软组织的形变建模与生物力学的匹配性以及真实的触觉反馈感受也是虚拟手术的关键技术。基于以上问题,本文从视觉和力触觉信息两方面出发,以人体肝脏软组织作为主要研究对象,对虚拟手术的软组织建模及碰撞检测和力反馈技术进行了深入研究,主要工作如下:（1）针对虚拟手术中模型精度不高的问题,对医学图像分割技术和三维重建技术进行了研究。提出了基于可变时间步长的水平集图像分割算法,改善了图像分割的速度和精度。通过Delaunay剖分方法选择三角面片来重构三维几何网格模型。实验证明,提出的图像切割算法分割效果良好,三维几何重建模型真实度高,符合虚拟手术建模需要。（2）在几何建模的基础上,针对人体软组织的力学特性及现有虚拟手术中软组织形变建模方法的不足,提出了一种融合生物力学特性的位置动力学模型,解决了传统形变模型中效果不真实、易产生畸变等问题。模型中基于位置的动力学部分负责处理复杂的变形效应,保证软组织形变模型的稳定性和实时性;融合生物力学部分采用了三参量质点弹簧模型,反映了软组织的粘弹性、非线性。利用显示欧拉法结合牛顿第二定律预测质点下一时刻的位置,利用弹簧力及外力作为约束函数,保证了软组织形变的真实性和实时性。通过仿真实验对比,本方法提高了形变仿真的综合性能,验证了该方法的可行性。（3）虚拟手术软组织切割过程中,有网格建模方法存在网格难以建立和重构问题,导致系统不稳定,容易产生畸变、狭长的网格缺陷,且计算复杂;无网格建模方法中边界条件难以施加、计算量大。为了解决以上问题,提出了一种无网格和有网格混合的软组织切割模型:体模型采用无网格法进行快速修改,面模型采用基于网格的方法逐步更新,利用贝塞尔曲线绘制切口。通过实验证明,本方法提出的混合模型切割时间满足图像刷新率要求,切口效果真实、平滑。（4）碰撞检测是虚拟手术的关键部分,用以检测虚拟物体之间是否接触。检测到碰撞接触后,虚拟手术器械对软组织模型施加的力,通过力反馈设备使操作者感知。结合虚拟手术的特点,选择了混合层次包围盒法进行碰撞检测。基于包围盒原理分析虚拟手术器械与肝脏的相对位置,通过阻抗控制建模方式估算接触力,基于扰动观测器对接触力进行观测和补偿。通过碰撞检测与力反馈仿真实验与分析,验证了系统的有效性。