虚拟手术仿真系统作为虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用,对于医生进行术前仿真,学习处理临床手术中可能出现的各种情况等方面有着重要作用。本文围绕虚拟手术仿真系统的虚拟组织建模、碰撞检测和力反馈形变算法展开了理论推导和分析,主要研究内容如下:首先,对弹簧-质点模型的拓扑结构进行了改进,以菱形作为新的结构单元,提高了计算精度和实时性。在新模型中增加了虚拟弹簧,用于约束由外力过大引起的超弹性现象,同时也用于力反馈形变计算,降低了计算的复杂度。其次,归纳比较不同碰撞检测算法的优缺点后,以碰撞检测的实时性和精确性为基础,选择包围球和轴向包围盒进行碰撞检测的仿真。采用Delphi软件来模拟碰撞,不仅给操作者提供一个直观的视觉碰撞效果,还可以全方位的观察碰撞情况,提高了碰撞检测的实时性和准确性。再次,针对力反馈形变算法对实时性和计算量的要求,提出了一种新的力反馈形变算法。该算法先筛选各层有效的运动质点,计算这些质点形成的区域面积,将形变层内的区域面积与虚拟弹力联系起来,物体表面的接触力就等效为形变层虚拟弹力的合力。形变过程中算法简单,降低了力反馈形变的计算量,满足了实时性的要求。最后,考虑到物体形变曲线与正态分布曲线类似,又提出了一种近似正态分布的函数算法,该算法体现了形变区域内距离受力中心点越远的质点反馈力越小,也更好的体现了形变过程中力与形变量之间的线性关系。最后通过相关的仿真实验验证了算法的可行性。