经皮穿刺是微创手术的一个分支,在很多治疗场合都有应用,比如组织活检、血栓摘除、肿瘤消融等。然而传统的针穿刺训练方式直接在病人身体上进行,有可能导致严重的并发症,针穿刺虚拟训练系统能够有效的解决上述问题。本文主要对基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统的实时性进行了研究,并在此基础上构建了实时的基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统。它由三个模块组成,分别是有限元变形计算模块、图像显示模块和力反馈模块,本文关于实时性的研究也主要围绕这几个方面。首先,通过网格尺寸函数来控制网格的尺寸大小指导非均匀网格划分从而减少产生的网格节点数目,实现有限元分析计算的加速。在针穿刺场合下,更关注针轨迹附近的变形,因此要求针轨迹附近的网格单元划的密一些,其它的地方网格可以化的稀疏一些。同时应当避免出现角度很小的网格单元,因此需要对网格尺寸函数的梯度进行控制。通过建立基于穿刺轨迹的网格尺寸控制模型,能够合理的分配节点在空间的分布,比均匀网格划分产生的节点数少,有限元分析计算更快。其次,利用快速点定位方法替代原来的点定位,对超声图像生成算法进行优化,使得生成二维超声图像的时间减少。快速点定位充分地利用了四面体网格单元与超声扫描平面的相交信息,使用一个中间数据结构来存储像素点对应的网格单元体编号,使得对图像中所有点进行点定位的时间缩短。中间数据结构主要依赖Bresenham画线算法找到线段上的像素点并对像素点赋予相应的单元体编号数值。在获得中间数据结构之后,依据垂直扫描的方法遍历图像中的所有像素点,计算像素点在体数据中的位置,从而求得相应的像素值。在对超声图像生成算法进行优化之后,图像生成时间明显缩短。最后,进行了基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统的开发。图像显示模块实时的显示虚拟的三维穿刺场景和二维的虚拟超声图像,有限元分析模块依据组织与针之间的相互作用提供组织和针的变形位移,力反馈模块将模拟的穿刺力反馈给操作者。为了建立正确的模型之间的相互位置关系,需要进行多个坐标系的统一,通过不同坐标系间的变换才能完成。