随着医学影像技术和计算机技术的融合发展,虚拟手术在医学领域的应用逐步深入。它为医生提供了一个集合术前计划制定、术中操作模拟、术后结果预测以及手术训练等各种功能的一个交互式的虚拟环境。迄今在该领域已经展开了大量的工作,但是关于虚拟手术真实性与实时性的研究仍然是一项具有挑战性的课题。论文围绕虚拟手术真实性与实时性的平衡问题,对虚拟手术中的实时碰撞检测技术、软组织的模型构建与形变计算以及虚拟切割等技术进行了研究与探索。研究的主要工作及创新点包括：1、为了提高虚拟手术中碰撞检测的速度和精确度,提出了一种基于混合策略的层次包围盒实时碰撞检测方法。该方法根据手术环境中不同对象拓朴结构的特征使用不同类型的层次包围盒进行碰撞检测,保证了包围的紧密性。实验表明该算法的检测速度优于经典的方向包围盒算法-RAPID算法,平均检测速度提高了26%。同时针对软组织变形后层次树更新的问题,提出了一种自底向上部分更新层次树的方法,进一步加快了手术工具与软组织发生碰撞后层次树的更新速度。2、针对虚拟手术中有限元网格模型构建方法存在的计算速度慢、边界网格与内部网格不相容等问题,提出了结合八叉树和波前法的有限元三维实体网格生成方法。该方法使用八叉树生成背景网格,再采用波前法进行实体网格划分,在保证边界单元质量的同时,减少了内部网格相交计算量。实验表明,该方法能够快速生成均匀的有限元网格,相较于波前法速度有了较大的提高,网格质量也比八叉树方法有了较大提高。3、针对虚拟手术中软组织形变的实时计算问题,提出了一种基于分区的多尺度有限元软组织形变模型。根据手术操作的特点,可以将模型显示区域分成手术操作区和非手术操作区。该方法在非手术操作区域建立线弹性的有限元模型,并引入预计算技术和凝聚技术,降低模型形变的计算量；在手术操作区域,利用广义Maxwell模型建立具有粘弹性特征的有限元模型。该分区模型的建立使得了软组织形变的实时计算在一定范围内得以实现。4、在软组织的切割仿真中,针对单元细分方法中模型复杂度增加快,网格单元不一致的问题,提出了一种基于顶点拆分的单元细分方法。利用分治的思想对切割类型进行细化,降低切割操作实现的难度。通过顶点拆分,减少了新生成网格单元的数量。通过实验证明该方法能有效控制模型的数据量并显著减少切割操作的处理时间。相较传统方法,生成单元数量减少了14%,切割处理时间减少了58%。5、在对虚拟手术中网格生成技术研究的基础上,提出了一种基于曲率特征的颅面孔洞的修补方法。首先使用波前法对孔洞进行初步的覆盖,形成初始的修补网格,再结合周边区域的曲率特征和Delaunay法则优化修补网格。该方法有效支持了各种不同类型孔洞的修补,并与周边网格形成良好的过渡。本文的研究成果为解决虚拟手术中真实性与实时性兼顾的问题提供了理论基础和技术创新,也为后续进行虚拟手术的深入研究提供了支持。