高逼真可交互虚拟手术系统理论及关键技术

With the development of surgical techniques, especially minimal invasive surgical procedures, it is essential to develop a safe, low-cost and repeatable training way for novices to acquire new skills. With the in-depth combination of clinical medicine and virtual reality technology, virtual surgery plays an increasingly important role in surgery training and planning. Based on years of research and development on virtual reality based surgical simulation systems, in this project, we propose to perform intensive research on fundamental and key theories and methodologies of virtual surgery, including biomechanically-based large-scale soft tissue deformation, real-time haptic feedback based on characteristics of human tissues and organs, simulation of interaction between tissues and devices in surgery, realistic rendering of surgical scenes, theory and methodology of evaluation and validation, and construction of an integrated platform for development of virtual surgery systems. We propose to implement a simulation system for percutaneous cerebrovascular intervention training to validate our achievements and findings. We aim at developing a series of key techniques and establishing a platform to promote the development of virtual surgery and its applications in computer-assisted medicine.

手术技术尤其是微创手术的创新发展，医学领域急需一种低成本、安全、可重复的手术技能培训方式。随着临床医学和虚拟现实技术的深入结合，虚拟手术在手术培训和计划领域扮演着越来越重要的角色。在多年虚拟手术研究的基础上，本项目对虚拟手术系统的理论和关键共性技术展开研究，着重解决准确性与实时性的平衡、大规模医学数据实时可视化、系统有效性的评价验证等亟待解决的问题。主要研究内容包括：基于生物力学原理的大尺度软组织形变模型、基于人体组织特征的实时触觉反馈、人体组织与手术器械交互模拟、手术场景真实感绘制、虚拟手术评价与验证理论，虚拟手术共性技术支撑平台构建。最后，通过构建一个面向临床培训需求的经皮穿刺脑血管介入手术模拟系统验证本项目的研究成果。本项目旨在建立虚拟手术系统基础理论和关键共性技术平台，为今后其它虚拟手术系统的研发提供理论和技术支撑，进一步促进推广计算机手术模拟在医学领域中的应用。

微创手术是现代外科发展的重要趋势，具有创伤小、并发症少和术后恢复期短等优点，但也给医生的手术技巧提出了更高的要求，需要更好的手眼协调能力，训练周期也更长。虚拟手术系统是一种低成本、安全、可重复性的训练方式，在结合患者个性化数据后，可帮医生进行手术方案的制定和手术入路的规划，提高手术效率和准确性。然而，构建高逼真度和实时的虚拟现实训练环境，以及构造具有触觉反馈，体现人体不同组织生物力学特征的交互仿真模型，以及对人体器官特有的形变特性进行模拟都是限制虚拟手术训练系统发展的瓶颈问题。..项目以虚拟手术系统所面临的一些共性技术为主要研究目标，重点的技术突破包括：研发了基于相位加权最小平方的医学图像去噪的方法，一种基于形状约束的测地线活动轮廓模型的图像分割算法，以及一个基于联合双边滤波和限制拉普拉斯光顺的网格平滑算法，提升患者个性化三维建模的质量；研发了一种交互式基于点的软组织形变的动力学仿真算法，解决人体软组织大尺度形变的模拟问题，并对计算模型进行了降维，在保证仿真精度的同时，计算速率可达到实时；提出了一种准静态超声弹性图像重建算法，获取各个组织区域的应变张力，应用到形变模型中；提出了一种基于机械动力学的手术器械与三维人体模型交互的力觉计算方法，并针对医学数据体绘制算法进行了改进，提升了绘制中亮度对半透明结构的感知能力，使得绘制的结果更具有真实感；最后，搭建了两套示范应用系统，经皮穿刺脑血管介入手术模拟系统和虚拟骨科手术训练系统，推动了其临床应用。..项目成果主要体现为学术论文，预期发表论文30-35篇，SCI收录20篇，申请专利3-5项，培养研究生10-12名。实际发表论文48篇，SCI收录29篇，EI论文19篇，CCF A/B类2篇，MICCAI论文2篇；申请专利20项;培养研究生10名。.经费严格按照NSFC要求进行支出，总拨款300万，已花费224.23万，剩余75.77万。