虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学和教育的重要应用,拥有可重复、无风险和低成本等优点,是未来外科培训与个性化精准治疗的发展趋势。然而,如何实现真实视觉感受和实时的触觉反馈仍是虚拟手术研究中亟待解决的问题。为了实现虚拟手术中真实快速的视觉和触觉交互,本文从软体组织形变建模、碰撞检测和形变反馈三个方面进行了研究。首先,为了实现逼真的视觉效果,需要建立准确且真实的软体组织形变模型。提出了一种基于向量弹簧的质点弹簧模型,向量弹簧根据该模型相邻两个质点的初始向量与实时向量之间夹角计算弹簧力,实现了弹簧抵抗弯曲的能力,改善了传统质点弹簧面模型形状恢复能力。形状恢复能力测试实验结果表明,相较与传统质点弹簧模型,基于向量弹簧的质点弹簧模型具有更好的形变恢复效果。其次,碰撞检测是形变和反馈力的计算基础。碰撞检测的实时性、稳定性和精确性会对形变模拟以及整个虚拟手术系统的视觉和触觉交互的准确性产生极大的影响。为了确保手术器械与软组织模型之间快速准确的碰撞检测,提出了两种适用于软组织形变交互的新型的碰撞检测算法,一种是离散体结构碰撞检测算法,可以通过体结构来延长碰撞检测的有效范围,适用于高精度、低速的手术场景;另一种是混合体结构碰撞检测算法,通过引入连续碰撞检测中的插值技术来改善离散体结构碰撞检测算法的缺点,该算法适用于高精度且高速的手术场景。碰撞检测实验结果表明:离散体结构碰撞检测算法能够有效的改进碰撞检测精度;混合体结构碰撞检测算法不但拥有传统连续碰撞检测相近的准确性,而且算法所需的时间远小于传统连续碰撞检测算法。最后,针对手术器械与软体组织触碰交互,提出了一种基于位置约束的形变反馈算法,该算法使得模型上受到碰撞的面片跟随手术器械一起运动,模拟真实的触碰效果。触碰反馈实验结果表明,形变反馈算法在满足虚拟手术系统实时性的前提下,能够真实、准确的模拟手术触碰操作。