虚拟手术技术属于虚拟现实技术在医疗方面的分支,它是计算机科学、生物学、医学、力学等多学科的交叉研究领域,因其在手术训练、术前规划、术中导航等方面的突出作用,使其在现代医学发展中受到越来越多的重视。在虚拟手术技术的应用领域中,虚拟手术训练系统占比最大,它利用计算机建立一个虚拟环境来模拟真实世界中的手术训练场景,在这个虚拟环境中受训医护人员通过力交互设备控制手术器械对手术对象施行各种操作,虚拟环境为受训医护人员提供视觉和触觉等感官上的逼真反馈。这样的系统用于医务人员的培训,可以减少培训费用,提升培训效果。在这样的系统中最关键同时也是最难的技术就是软体的物理建模和虚拟环境中的碰撞检测技术,这两项技术左右着虚拟手术训练系统真实感和实时性两项重要性能指标,本文针对这两项技术展开研究。首先,本文对软体物理建模技术进行了研究。传统虚拟手术训练系统中软体物理建模应用最广的是质点-弹簧(Mass-Spring Model, MSM)与有限元(Finite Element Model,FEM)等基于网格的方法。MSM具有实现简单、处理切割和缝合操作简单、去除节点和增加节点较容易和实时性高的优点;但是其存在大变形失真、稳定性不好的缺点。FEM拥有仿真形变逼真度高的优点;但存在实现复杂度高、计算量大、实时性不佳的缺点。针对上述传统方法存在的问题,本文将基于形状匹配的无网格方法应用在软体的物理建模中,该方法不需要网格划分,粒子之间不需要连接信息、简单易实现,在软体变形实时性、精度、大变形、稳定性方面都能得到满意的效果。其次,本文对如何提升碰撞检测的性能进行了一定的探索。根据不同包围盒法适用于不同基本图元相交率下的碰撞情况的特性,在碰撞预检测阶段提出使用Sphere-AABB复合层次包围盒法,在碰撞详细检测阶对于海燕等人提出的基于投影降维的用于三角形间的碰撞检测算法改进后进行应用,实验结果证明在相交三角形数量任意数值下,本文算法相比传统单一层次包围盒结合Moller三角形相交测试的算法都有更高的检测效率、精确度和稳定性。最后,运用上面的物理建模和碰撞检测技术搭建一个简易肝脏虚拟手术训练系统进行仿真实验,实验中场景fps值均值在50以上,视觉反馈流畅,满足系统实时性的要求;肝脏的按压、提拉变形效果接近于真实情况,没有出现塌陷和超弹性现象,同时手术器械没有穿越和远离软体组织,满足系统逼真性的要求。从而验证了本文基于形状匹配的无网格物理建模方法、复合层次包围盒碰撞检测方法及改进三角形间相交测试算法的有效性,实用性,能够应用到实际的虚拟手术训练系统中。