虚拟手术系统在医学领域具有广泛的应用,其将计算机图形学与虚拟技术结合,为医护人员提供手术方案制定与手术操作训练等功能。穿刺广泛应用于日常医学检查和诊断中,穿刺针刺入皮肤到达目标位置,实现注射、取样等操作,因此皮肤穿刺形变仿真是虚拟手术的关键技术之一。在皮肤穿刺形变仿真过程中,不仅需要保证仿真的稳定性与皮肤形变仿真的真实感,还需要保证皮肤穿刺仿真的实时性才能达到实时人机交互的要求。因此,实时性、真实感和稳定性是衡量皮肤穿刺形变仿真方法优劣的三个标准。基于上述三个要求,论文的核心工作与研究成果有以下几个方面:(1)建立皮肤形变物理模型及几何模型。对皮肤复杂的生物力学特性和皮肤形变物理模型进行分析,在其基础上选择质点-弹簧模型作为皮肤形变物理模型。利用TenGen生成的四面体质点-弹簧拓扑结构信息建立皮肤几何模型,保证了皮肤穿刺形变的稳定性需求。并自定义一种存储皮肤几何模型数据的文件格式,方便后续研究使用。(2)皮肤穿刺形变动力学模型快速求解算法。根据质点-弹簧物理模型建立皮肤穿刺形变动力学模型,并建立皮肤穿刺形变动力学模型的优化隐式欧拉法的数值求解方法,对于优化隐私欧拉法的数值解引入虚拟弹簧方向相关的辅助变量,将其改写成使用块坐标下降法求解的优化隐式欧拉法能量最小问题进行快速迭代求解,保证了皮肤穿刺仿真的实时性。(3)皮肤穿刺形变真实感优化。针对传统质点-弹簧模型皮肤穿刺形变真实感不足的特点进行仿真方法优化研究。根据皮肤形变时褶皱真实感不足,提出一种泊松形变的方法提高真实感,使用测地线方法确定皮肤穿刺形变的范围,在皮肤受到外力形变时,形变范围内的皮肤几何模型通过泊松形变方法进一步形变,产生皮肤褶皱效果。针对皮肤在形变区域与非形变区域之间的过渡不平滑,提出体积保持的方法进行改进,在皮肤穿刺形变仿真中通过体积约束保持体积信息,并用权重向量分配的方法保持局部形变,实现了虚拟穿刺时皮肤形变区域与非形变区域的平滑过渡。最后,本文设计并实现了皮肤虚拟穿刺仿真的原型系统,实现了各个模块算法与可视化集成,并给出了实验结果与分析。实验表明,本文所述算法能满足皮肤穿刺形变仿真的真实感、稳定性和实时性需求,对皮肤穿刺形变仿真研究具有重要的指导意义。