虚拟手术仿真系统是现代医疗手术和虚拟现实技术的结合。虚拟手术仿真系统以实时性、稳定性、精确度和逼真度为原则,对医学数字图像三维可视化、软组织形变切割、力反馈、实时通信技术等有着较高要求。交叉韧带是维持膝关节运动最重要的结构组织,能够保持膝关节静力稳定性。交叉韧带损伤是最常见的膝关节疾病之一,医生常采用关节镜手术进行诊治,膝关节镜手术对医生的手眼协调能力有着极高要求。本文研究了交叉韧带物理属性,分析交叉韧带手术基本操作,从视觉和触觉角度出发对交叉韧带手术进行仿真模拟。本文研究内容如下：(1)基于医学数字图像的交叉韧带软组织三维重建。针对传统手术仿真系统中模型精度较低的问题,对医学二维序列数字图像(CT)进行研究,用开源软件工具VTK对CT图像处理,进行三维模型重建,得到了较高精度的交叉韧带软组织模型。对交叉韧带的生物力学属性进行分析,为软组织物理模型的构建提供依据。(2)软组织切割算法的研究。从切割实时性角度出发,为交叉韧带构建计算模型、视觉模型和碰撞模型,提高了计算效率。采用多模态映射机制,实现不同模型的计算和显示同步。定义交叉韧带模型的四面体拓扑结构及拓扑更新算法,使用四面体单元去除法完成切割仿真,保证了系统的稳定性。(3)虚拟手术中触觉反馈的研究。分析触觉反馈过程,根据操作步骤将手术过程中的反馈力划分为面弹力和摩擦力,并分别为其建立物理模型,对力的大小计算进行了研究。(4)实验原型系统的开发。设计虚拟交叉韧带仿真系统功能,采用面向医学仿真的开源软件开发包SOFA完成系统搭建,达到了手术仿真模拟、手术操作评价和知识学习的目的。