虚拟手术作为一个新兴的研究方向，是集医学、生物力学、光学工程、材料科学、计算机技术、机械力学等诸多学科为一体的交叉研究领域。同时，作为虚拟现实技术和医学研究结合的重要成果，虚拟手术也是当今信息领域研究的热点问题之一。随着现代医学手术的发展正在由传统的经验手术向精确手术转变，由大面积的开放式手术向微创手术转变，对虚拟手术系统的人机交互性能特别是用户的视觉和触觉沉浸感方面都提出了新的更高的要求。同时，计算机技术特别是计算机硬件性能的飞速发展，已经为虚拟手术系统的基础平台提供了良好的硬件支撑。因此，从软环境的角度，人体软组织模型作为虚拟手术系统的操作对象，决定了用户的视觉临场感和触觉真实感的优劣，进而成为了虚拟手术领域的一个重要研究课题。CT图像作为一种高分辨率的光学数字化图像，为软组织的结构和密度提供了一种精确的二维数字化表达形式，并成为当前医学最重要的图像数据之一。本文以提高虚拟手术系统用户的视觉临场感和触觉真实感为目标，以软组织的生物学特性为依据，针对影响虚拟手术系统中人体软组织建模的高效性、真实性和准确性的关键技术，在数字图像CT值的表达下对人体软组织表面几何模型的构建、表面质点体离散化方法优化和物理建模方法展开研究。根据生物组织的应力—应变关系分别建立软组织的物理模型和力学模型，并根据真实软组织生物的力学参数确定模型相关参数，提高模型的物理准确性和几何真实性，从而增强用户的视觉临场感和触觉真实感。本文的主要工作和创新如下：（1）深入研究了目前主要的人体软组织建模方法,详细阐述了有限元方法和质点弹簧模型两种模型的基本问题，并分析了两种模型各自的优缺点。（2）通过生物力学实验测量真实软组织生物力学特性参数。对真实的猪肝脏软组织通过生物力学轴向拉伸和轴向压缩实验，测量肝脏软组织的应力—应变关系，为建立模型提供依据和基础。（3）提出了一种基于CT图像的软组织三维表面重建算法。以最为常见的CT图像为数据源，利用基于自适应步长的表面轮廓离散算法对图像逐层分析，提取软组织轮廓特征点；然后使用Delaunay三角剖分原则对软组织表面进行三维重构，并以表面离散点“弯曲度”为依据，对三维重构网格进行优化，以最小的网格数量表现软组织三维特征。（4）提出了一种新的基于表面三角剖分的软组织体离散化算法。该算法不仅考虑到了表面质点的分布情况，而且结合质点法向量投影，使表面质点较好的反映了模型内部体特征分量，根据不同的几何形状自适应的调整其质量分布，较客观的反映了模型的整体质量分布特性。最后，对三种不同几何形状的模型进行对比试验，与基于放射线的体离散化方法相比，本文提出的方法在相同的时间复杂度情况下得到了更好的离散化效果。（5）提出了一种新的软组织非线性物理建模方法。在经典的质点弹簧模型基础上，提出“不变形体”的概念来反映模型的体特征，并且利用反映软组织的粘弹性特征的非线性应变能函数建立物理模型。利用测量数据确定模型参数，通过计算机仿真验证了模型形变模拟的准确性和真实性。