虚拟手术是一门新兴的综合性学科，涉及到医学、计算机图形学、图像处理、生物力学、材料科学等诸多领域的技术。虚拟手术系统的研究宗旨是为外科医生提供可以反复使用的训练、学习和模拟的虚拟环境，将其应用于手术规划、手术演练和术中指导，这对于术前制定最佳手术方案和保证手术成功具有十分重要的意义。 论文在简要介绍虚拟手术系统的研究概况和构成的基础上，分析了虚拟手术中涉及到的医学图像分割、几何建模、碰撞检测、形变模拟、切割缝合、真实感图形绘制、触觉反馈等关键技术。然后，本文针对其中的几何建模、碰撞检测、形变模拟和真实感图形绘制技术进行了深入研究和探讨。 本文首先对几何建模进行研究，在剖析了常用方法的优缺点基础之上，提出并实现了一种基于体数据分割的Delaunay四面体化建模方法。该方法思想简单，容易实现。深入分析虚拟手术中碰撞检测的特点，将虚拟手术中的碰撞检测分为三种情形：刚体与刚体间、刚体与柔性物体间、柔性物体间的碰撞检测，并结合现有算法，分别针对三种情况进行讨论与研究。文中对虚拟手术中变形模拟展开研究，在认真分析现有方法基础上，本文基于简单的线弹性物理模型，根据有限元方法中刚度矩阵具有对称性、带状性和稀疏性等特点，对有限元方法进行了改进。通过实验证明，该算法的速度能满足大多数虚拟手术的要求；在虚拟手术系统中，真实感图形绘制的逼真性和实时性对系统的性能至关重要，本文对面绘制和体绘制两类方法进行了概述、比较，针对虚拟手术中视觉反馈的需要，提出了一种体绘制和面绘制相结合的真实感绘制方法；最后，论文对该领域有待深入研究的一些问题进行了展望。