随着现代科学技术的飞速发展,计算机应用技术逐渐渗透到了社会生活的各个领域,对虚拟现实系统的研究结合现代医学便产生了虚拟手术系统。虚拟手术系统在视觉与触觉感官上为使用者提供手术场景的真实再现,可应用于外科医生培训、手术效果预测和手术导航等领域。现在多数的虚拟手术系统使用的虚拟人体数据是来自CT、MRI、PET或B超等医学设备采集的医学数据,有的还用到了虚拟人的数据。这样重构出来的模型虽然能在精度上甚至是色彩上非常地接近真实的人体数据,但要将如此高精度的模型直接用于手术仿真系统并让用户实时地进行操作是一件十分困难的事情。虽然通过模型简化可解决实时性的问题,但简化过程往往也会去掉一些软组织的关键细节,影响了系统的仿真度。另一方面大部分的虚拟手术系统中,将软组织简单抽象成线弹性模型。但当组织的形变较大时,软组织会表现出了明显的粘弹性,此时如采用线弹性模型,则形变仿真结果与实际形变结果之间会出现较大差距,减低了仿真精度。所以说现在的虚拟手术软组织研究方面最主要的矛盾是软组织形变的仿真度与计算实时性之间的矛盾。为了解决这一矛盾,本文中引入了物理引擎Physx,利用PhysX不但可实现逼真的形变仿真效果,而且由于物理引擎承担了大部分的物理运算,所以可以实现计算的实时性,在这一基础上我们使用了较为复杂的几何模型和物理模型,以增加系统的仿真度。在有限元网格自动剖分方面。本文介绍了一种四面体网格生成算法,应用这一方法可以高效地生成有限元模型,模型可用于实时的虚拟手术系统,更重要的是运用这一方法有别于以前从医学设备(如CT、MRI、PET、B超或X光机)上所得的医学数据经过简化处理生成软组织模型的方法,而且由于PhysX的引入,在保证计算的实时性的基础上,可以大大增加四面体单元的数量以达到提高形变模型的真实感的目的。在软组织形变仿真研究方面,使用物理引擎同样可以将较为复杂的物理模型应用于实时的虚拟手术系统,本文中就使用了粘弹性有限元组织形变仿真算法来进行软组织的形变仿真。粘弹性有限元模型克服了弹簧振子模型计算精度不高、稳定性较差等的局限以及线弹性模型在力学特性表现方面的不足,而且充分考虑到了软体的生物力学特性,能够有效表现出软组织在形变过程中所表现出的蠕变和松弛特性等力学特征。而且通过参数的调整,能够描述不同的力学特性,这样就实现了用一种模型对不同组织进行仿真,有效地简化系统,进而改善整个虚拟手术系统的实时性。同时,由于PhysX在物理加速方面的优势,可以实现之前虚拟手术系统中较难以实时进行模拟的软组织与血液等流体的交互。