虚拟手术训练系统通过将虚拟现实技术与外科手术操作相结合,为手术训练者创建一个具有沉浸感的操作环境,对改进传统训练方式的不足、提高手术训练效果以及缩短手术培训周期具有重要的意义和实用价值。本文通过对虚拟介入手术系统相关技术的研究,确立了论文的研究思路;将改进后的位置动力学算法引入到虚拟介入手术中对导丝的物理运动进行模拟,实现了基于位置动力学的导丝运动模拟算法;设计实现了复杂血管网络结构下的造影剂扩散算法以及X-ray成像模拟算法,并且实现了造影剂在X-ray影像中的动态显示;最终完成了虚拟介入手术系统的软件设计与实现。本文的创新之处在于设计实现了一种基于位置动力学的导丝运动模拟算法,通过采用位置约束表示导丝的拉伸、弯曲以及扭曲等物理性质,实现了对导丝运动过程的模拟,提高了导丝运动模拟的实时性和收敛性。本文研究的主要内容如下:(1)设计实现了一种基于位置动力学的导丝运动模拟算法。在研究位置动力学算法的基础上,将其引入虚拟介入手术中,采用位置约束的方式对导丝的物理运动进行建模并对模型进行迭代求解,实现了一种基于位置动力学的导丝运动模拟算法。通过对导丝运动模拟算法进行分析和比较,进一步验证了该算法在实时性和收敛性等方面的优势。(2)设计实现了造影剂扩散算法以及X-ray成像模拟算法。通过将一维线性流体模型与纳维斯托克斯流体扩散模型相结合,对血管的三维结构进行简化,实现了复杂血管网络下的造影剂扩散算法;通过光线投射方法计算X-ray经物体的衰减后到达显示屏的能量,实现了X-ray成像模拟算法;引入造影剂浓度对X-ray成像的影响,实现了造影剂在X-ray影像中的动态交互显示。(3)完成了虚拟介入手术系统的软件设计与实现。通过对虚拟介入手术系统的物理模拟、手术控制、CPU/GPU加速、碰撞检测以及手术导航等功能模块进行需求分析,完成了虚拟介入手术系统的总体软件架构设计,完成了虚拟介入手术系统主要功能模块的设计和实现,包括系统操作界面、导丝运动和造影剂扩散等物理模拟以及交互控制等。