近年来,虚拟现实技术为手术训练开辟了新道路,作为一种新的交叉研究领域,虚拟手术能有效节省训练成本、提升训练效率。软组织模型是虚拟手术系统的研究重点,在软组织模型相关研究中,质点弹簧模型是一种主流模型,它具有计算快速、建模简单的优点,而其稳定性和精确度较差。因此,本文以质点弹簧模型为研究重点,针对手术中三种常见场景,在现有的质点弹簧模型的基础上进行改进,设计了以下三种质点弹簧建模方案:(1)由于质点弹簧模型的精确度和结构难以满足肿瘤模拟需求,本文设计了一种用于模拟肿瘤的多层等节距圆锥形螺旋弹簧建模方法,通过基于弗雷歇距离的相似度算法控制软组织的弹性模量,从而表现临床肿瘤的非均质特性,并通过多层弹簧变形算法计算软组织变形。(2)由于质点弹簧模型的精确度和稳定性难以满足缝合手术模拟需求,本文设计了一种基于质点弹簧的软组织缝合建模方法,该方法涉及三种质点弹簧模型,采用一种质点约束算法优化质点弹簧模型,通过限制质点的行动范围来提升模型的精确度,通过缝合控制策略控制缝合口稳定性。(3)由于质点弹簧模型难以精确跟踪针刺模拟中的针刺点,本文将质点弹簧模型作为用于计算力的辅助模型,设计了一种基于质点弹簧模型力网的软组织针刺建模方法,使用球面调和函数构建三层软组织主体,使用质点弹簧力网弥补球面调和函数力计算的不足,使用基于形状匹配的回弹算法模拟针刺过程中软组织的回弹现象。通过构建肿瘤感知系统、缝合手术系统、针刺模拟系统,本文分别将所提建模方法应用到虚拟手术中,并设计评估实验研究其应用效果。实验结果表明,本文所提三种软组织建模方法有效提升了质点弹簧模型的精确度和稳定性,能很好地模拟肿瘤、缝合手术和针刺操作,在实际应用与手术训练中有较好的表现。