钻骨是外科手术中常见而重要的操作,但这项操作风险大、对医生操作水平要求较高,骨科医生必须要经过手术训练,掌握精准的操作手感后才能对病人进行手术。相比于传统的以尸体、动物甚至病人进行实验的训练方式,虚拟手术训练有着安全、高效、灵活等优点,为医生提升手术技能提供了新的方式。虚拟手术训练中最关键的部分是为受训者提供精准的虚拟钻骨力并能进行实时的力触觉交互。本文致力于解决此问题,设计虚拟钻骨手术训练系统,帮助年轻医生进行手术训练:通过对钻骨过程进行有限元仿真和实验分析,确定钻骨力与主要影响因素的关系,得到关于骨密度、钻头钻削速度和转速的钻骨力预测模型;针对骨组织不均匀特性,建立与骨密度值相关的具有独立体素特征的骨组织模型,基于此模型设计相关的快速碰撞检测、体素去除等算法,保证虚拟钻骨过程中反馈力的准确与稳定;钻骨操作进行时,系统实时读取钻头钻削速度、碰撞点骨密度等,通过钻骨力预测模型计算得到钻骨力反馈给受训者,受训者感受到钻骨反馈力。本文以VS2015为集成开发环境,在算法研究的基础上结合开源库CHAI 3D、OPENGL开发了虚拟钻骨手术系统,并将实现代码整合成开源类库。医生通过观看实时的手术过程和感受操作力来模拟真实的手术场景,多次手术模拟后熟练获得钻骨操作技能。