虚拟现实技术的发展已经拓展到医学领域,其中虚拟手术仿真技术就是其典型应用之一,对于新手医生进行手术前培训,练习解决真实手术中可能面临的各种情况起着至关重要的作用。针对现有的虚拟手术系统中存在的软组织三维重建缺乏准确性,软组织力学特性参数和形变模型缺乏准确性及其虚拟手术系统中的力触觉再现等问题。开发了一套包括肾脏肾镜和肾支腹主动脉排气针按压的虚拟手术仿真系统,解决了虚拟手术系统中存在的问题,大大的提高了虚拟手术环境视觉逼真度和力触觉真实性,为医生提供了一个高效的手术培训平台。首先,针对血管和肾脏传统的三维重建方式模型不准确且没有考虑人体解剖结构问题,采用Mimics软件对腹腔CT图像中的肾支腹主动脉和肾脏进行三维重建和优化。如采用阈值选取,区域增长等方法将肾支腹主动脉和肾脏组织从图像中分割出来。采用空腔添补的方式解决因造影剂随血液流动不均匀导致CT图像肾支腹主动脉和肾脏造影不完全,进而造成的肾支腹主动脉和肾脏蒙版信息不完全的问题。通过蒙版编辑功能对肾支腹主动脉和肾脏进行边缘增强后重建,与此同时对重建模型进行了覆盖和平滑优化处理。其次,针对传统软组织力学模型参数不精准,改进了弹簧质点模型以模拟不同软组织触压阶段的非线性特性。为了验证改进弹簧质点模型的准确性,对不同的软组织进行力学测量。根据对软组织的生物力学特性进行分析,确定以猪肾和猪肾支腹主动脉血管为实验对象,根据现代医学手术中的相应操作,确定对猪肾使用类似肾镜的空管穿刺实验和对猪肾支腹主动脉血管使用排气针穿刺实验,测量获得猪肾和猪肾支腹主动脉穿刺的真实力学数据,如形变量、交互力等。随后利用MATLAB软件对触压阶段的数据进行处理和拟合。最后,基于Phantom Omni设备搭建力触觉交互虚拟手术仿真系统,在搭建好的虚拟手术力触觉交互系统中对肾支腹主动脉和肾脏进行按压操作实验,结果表明本课题开发的基于改进弹簧质点模型的虚拟肾脏及肾支腹主动脉手术系统,具有较为真实的力触觉。