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在膝关节伤病治疗中,游离体摘除术是较为常见,也是最适合关节镜下处理的膝关节手术之一。但是膝关节镜手术操作难度高、培训手段缺乏且周期长,使得其普及受到限制。传统的关节镜手术培训有成本高、可重复使用率低等缺点,由于虚拟手术系统具有视觉模拟、人机交互,甚至力觉、听觉反馈等功能,该仿真系统的出现一定程度上缓解了培训医生的问题。对于膝关节镜游离体摘除术,最为关键的步骤就是夹持游离体并移出体外。为了在虚拟手术系统中提高视觉仿真的逼真度、完善行为模型以及改善实时性和精确性相矛盾的问题,本文以膝关节镜游离体摘除术为研究对象,对虚拟膝关节镜手术系统中的视觉和碰撞模型的建立、实时碰撞检测以及夹持预判等关键技术进行了研究。本文主要研究内容如下：(1)人体膝部三维模型重建。本文使用人体膝关节MRI医学数据序列图像,进行图像预处理、图像分割和三维重建,并对重建模型进行表面光滑处理和网格划分。对游离体标本图像进行椭圆拟合,建立椭圆体的视觉和碰撞模型能够满足游离体摘除术中游离体的仿真模拟。所建立的视觉和力学模型较真实地放映现实,提高了虚拟手术仿真系统中的沉浸感。(2)碰撞分析。通过假设游离体为刚体可平移的椭圆体,对虚拟膝关节游离体和手术器械进行夹取动作分析和碰撞分析。采用基于点、线、面和AABB包围盒混合的光线跟踪碰撞检测算法,并使用八叉树建立包围盒。进行游离体与蓝钳的碰撞响应分析,反馈出碰撞点和碰撞力信息。采用的混合碰撞检测算法提高了运算速度,改善了碰撞检测的实时性和准确性；碰撞响应算法反馈的信息为下一步预判提供了基础。(3)夹持预判。根据夹取的碰撞检测算法判断出夹取虚拟游离体成功后,并以游离体与蓝钳碰撞响应所反馈的碰撞点和碰撞力的信息,在手术中静止平衡状态下对蓝钳夹取游离体进行受力分析,实现游离体夹持是否成功的预判算法,提高了虚拟膝关节镜游离体摘除术培训医生手术操作的可行性。(4)实验仿真。基于以上研究开发一个原型实验系统,本文通过医学仿真软件SOFA开发的一个带有力反馈虚拟膝关节镜游离体摘除术系统,对游离体夹取的碰撞检测和夹持预判进行检验。手术系统仿真过程具有可操作性,能够实现游离体夹持预判的仿真,能够满足游离体摘除术培训的基本需要。