虚拟手术仿真系统关键问题在于既要提高软组织模型形变的准确性,又要保证其实时性。软组织建模两种常用方法为有限元模型和质点弹簧模型,有限元虽然计算精度高,准确性好,但巨大的计算量导致其实时性不足,难以满足虚拟手术对于实时性要求。质点弹簧模型虽然计算简便,但计算精度不高,准确性不足,且形变后形状恢复能力较差。为了解决质点弹簧模型存在的这些缺陷,提出了一种改进的质点弹簧模型,利用四面体建模,并创新性地加入向量弹簧。向量弹簧的回复力以及四面体弹簧的体积力都能够提高模型形状恢复性能,提高仿真精度。新型的质点弹簧模型被用来对血管、心脏以及肝脏等软组织建模,实验结果表明,该模型在大幅提高虚拟软组织形状恢复能力的同时,也保持了较好的实时性。现有质点弹簧模型弹簧参数通常凭经验对弹簧的刚度系数,阻尼系数等参数赋值,难免会存在误差,导致模型精确性不足。为了获得尽可能准确的模型参数以提高质点弹簧模型的仿真精度,本文利用粒子群算法对提出的质点弹簧模型弹簧劲度系数以及阻尼系数进行了估计。在虚拟手术过程中,手术器械与软组织的触碰与交互需要通过碰撞检测算法实现。考虑到虚拟手术对于实时性的需求,一般采用离散碰撞检测以实现快速的交互检测。但是离散碰撞检测算法检测时间点是离散的,会导致漏检测的情况发生。连续碰撞检测虽然可以避免漏检测问题,但计算代价过大,实时性仍有待改善。基于此,提出了一种改进连续碰撞检测算法,该算法从模型简化,运动状态分类相交检测和基于二分回退的初始碰撞时间检测三个方面对传统连续碰撞检测算法进行改进。