外科手术是治疗疾病的必要手段之一,随着医学的不断发展,医院对外科医生的需求越来越大。目前外科医生普遍通过课堂学习、观摩实践等传统方式进行手术培训,因其训练周期长、成本高,已远远无法满足医院的需求。虽然市面上有一些基于仿真技术的虚拟手术系统,能在一定程度上解决传统手术培训方式的不足。但是这些虚拟手术系统,要么采用二维视野,可操作性差,要么使用VR沉浸式视野,搭建成本高、长时间使用容易产生疲劳眩晕感。这些问题导致虚拟手术系统并不能在外科医生的培训中得到广泛使用。增强现实（Augmented Reality,简称AR）具有立体视野,交互性强,开发成本低,长时间不会有眩晕感等优点。为解决传统培训方式的不足,克服现有虚拟手术系统的缺点,为医疗机构提供高效、易用、可靠、低成本的手术培训方案。将AR技术与力反馈技术结合起来,以脑穿刺手术为研究案例,开发了带有力反馈功能的AR脑穿刺手术训练系统。主要研究内容如下:1)分析系统的功能需求,提出包含AR视觉交互模块和力反馈交互模块在内的总体开发框架,以实现用实体穿刺针对虚拟颅脑模型进行手术操作。2)开发AR视觉交互模块。第一步先使用图像识别和三维注册算法完成AR融合。之后研究相机自动对焦、相机位姿异常提示和标记图坐标实时平滑处理三种方案,解决AR标记识别稳定性差的问题。紧接着提出“主图+位姿调整”的虚实配准方案,实现虚拟穿刺针和实体穿刺针的高精度配准,解决传统AR配准方案精度不足的问题。通过上述研究,为力觉模块的开发搭建AR环境。3)开发力反馈交互模块。首先通过坐标映射算法实现对力反馈设备的交互控制。然后提出基于AABB包围盒树的碰撞检测方法,解决简单包围盒精度不足和重复包裹的问题。接着根据颅脑组织的结构特点设计其理论反馈力公式。最后,为解决虚实交互问题,提出基于模型代理的方案,将触觉空间与AR空间进行匹配,实现实体穿刺针与虚拟颅脑模型交互时的视、力觉反馈。4)整合AR和力反馈模块,搭建脑穿刺手术训练系统的原型系统,并测试系统各模块功能及工作性能是否满足设计需求。其次进行用户实验,验证系统的有效性。实验结果是使用本系统进行训练的学生,比仅通过视频资料进行学习的学生,能更好地掌握相关手术技能,证明所设计的系统在提升手术培训质量上具有良好的效果。