基于计算机虚拟现实技术的血管内介入手术综合平台建设项目建设可研报告

1、 / 52深圳市技术创新计划创业资助项目可行性研究报告项目名称：基于计算机虚拟现实技术的血管内介入手术综合平台申请单位：深圳市XX科技有限公司项目负责人：XX移动电话：电子邮箱：传真： 目录1、2、项目实施的背景意义51.1、项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求1.2、项目的先进性1.3、项目的重要性1.4、项目的必要性1.5、项目在行业中的地位和作用 1.5.1、项目在行业中的地位1.5.2、项目在行业中的作用 1.6、项目预期实现的经济和社会效益 1.6.1、项目预期实现的经济效益 1.6.2、项目预期实现的社会效益 技术发展趋势及国内外发展现状 115678889000T T3

2、、2.1、项目相关技术的发展趋势 2.2、项目的国内外研究开发状况 2.3、项目的产业化状况分析 2.4、我市相关行业与国内外先进水平的差距 2.5、市场需求情况 2.5.1、2.5.2、国家需求11131314151515项目主要研究内容17 TOC o 1-5 h z 3.1、 项目涉及的技术领域 13.2、 拟解决的关键技术 1321、以人体医学影像数据为基础，建立虚拟手术病例 13.2.2、 手术过程的互动式模拟 13.2.3、 人机交互虚拟环境的建立 13.3、 拟采用的技术原理 13.3.1、 医学图像处理(MEdical I magErocessin) 13.3.2、计算机几何和

3、物理建模(geometric andhysicallybasedmodelinG203.3.3、人机交互接口 (VISUALIZATION AND HAPTIC RENDERING 20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.4、拟采用的技术方法 21 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.4.1、主要技术 213.4.1.1、CT和核磁共振图像分割技术 213.4.1.2、 基于CT和核磁共振图像的虚拟人三维重建技术223.4.1.3、 人体组织器官和手术器械的物理建模和形变和交互模拟223.

4、4.1.4、 X光成像模拟技术 233.4.1.5、硬件虚拟人、人机交互、及触觉渲染(力反馈)技术 .243.4.2、 性能指标 243.4.2.1、系统的精确性 243.4.2.2、系统的实时性 253.4.2.3、系统的有效性 253.5、拟采用的技术路线 263.5.1、产品总体框架 263.5.2、手术模拟系统的技术原理 273.6、项目的主要技术创新点 283.6.1、 图像保边去噪技术及在图像分割中的应用 283.6.2、 基于血管中心线提取的血管网三维重建技术 293.6.3、 基于多网格技术的快速导管导线模拟方法 30 HYPERLINK l bookmark36 o Curr

5、ent Document 3.6.4、 基于GPI加速的快速非线性有限元技术 31 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.7、 项目涉及的相关知识产权 31 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4、 项目预期目标及市场前景 31 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4.1、 项目在技术进步方面可实现的预期成果 31 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 4.2、项目形成的产业前景分析 32 HYPERLI

6、NK l bookmark46 o Current Document 4.3、技术人才培养 33 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 4.4、对解决产业发展问题的预期贡献 33 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4.4.1、技术指标 33 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.4.2、经济效益指标 334.4.3、社会效益指标 34 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 5、项目实施方案35 HYPER

7、LINK l bookmark56 o Current Document 5.1、实现预期目标所需的组织管理方式 35 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5.2、项目技术实施步骤 36 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 5.3、科技资源综合利用 36 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 5.4、成果产业化策略 37 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5.5、研发资金的筹集与投入 375.6、知识产权

8、和技术标准的对策措施 395.6.1、知识产权对策措施 395.6.2、技术标准对策措施 405.7、项目实施方案的可行性 405.7.1、项目涵盖的研究领域 405.7.2、理论依据 415.7.3、技术基础 415.8、风险分析与应对措施 425.8.1、客源流失风险与应对措施 425.8.2、市场疲软与应对措施 435.8.3、价格波动与应对措施 43 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 6、项目计划进度45 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 7、 现有工作基础和条件 467.1、 申请单位

9、在相关技术领域的已有研发基础 467.2、 申请单位在相关技术领域的主要研究成果 467.3、项目实施具备的支撑条件 487.3.1、研发资金情况 487.3.2、主要科研设施与仪器情况 487.3.3、计划购置的重要仪器设备 487.4、 本项目或与本项目相关的其它项目申请国家、省、市科技计划情况.48 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document &研发团队498.1、 研发团队的规模和结构 498.2、 项目核心研发人员情况 501、项目实施的背景意义1.1、项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求虚拟现实技术是近年来出现的高新技术，也称灵境技

10、术或人工环境。虚拟 现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听 觉、触觉等感官的模拟。虚拟现实技术被用于电子游戏，飞行训练模拟，地理 信息系统，环境模拟等领域，高度浸入感的环境模拟让使用者有一种身临其境 的体验。近年来随着虚拟现实技术的蓬勃发展，虚拟现实技术的应用越来越受 到科技领域的广泛关注，一些业界巨头如 google，facebook等也纷纷进入这一 产业中来。可以展望不久的将来，虚拟现实技术将获得更为广泛的应用，并全 面的进入到我们的日常生活中来。20世纪后期，高新技术的迅猛发展和在医学领域的广泛应用，大大促进了 虚拟现实技术的开发与应用。作为虚拟现实技术在医

11、学领域的应用一一微创手 术模拟，经过10多年的发展，在欧美国家已经被广泛的应用于对手术医生进行 教学和培训。本项目就是致力于计算机虚拟微创手术的核心技术的研发和攻关， 并依托申请人在血管内介入手术模拟技术上多年的研究和积累，将医学虚拟现 实的技术应用到实际中来，完成计算机虚拟手术系统的产品化。目前，虚拟手术技术在我国的发展处于起步阶段，还没有国内企业涉足这 一领域。尤其在血管内介入手术的模拟上，由于手术本身的复杂性和特殊性， 对系统的设计、研发和实现都有很高的技术要求，这为国内企业进入这一领域 设置了很高的门槛。目前仅有美国、以色列和瑞典等国屈指可数的公司能够开 发和实现血管内介入手术模拟系统

12、。介入医学工程是20世纪末医学对人类文明的重要贡献之一，介入手术的广 泛应用，使得原有的手术教学与培训体系面临严峻的挑战。介入手术通常高度 依赖于功能繁多的手术器械，对于复杂的手术过程也有细致的要求。这些是传 统手术无法比拟的。欧美国家的经验表明，凭借计算机虚拟微创手术系统建立 的虚拟环境，作为一种先进的培训手段可以为手术医生提供高效的训练。并且， 可以对手术医生的技能掌握情况进行量化评估。虚拟手术系统的推广对现代医 学教学与培训体系具有革命性的影响，极大的缓解落后的传统医疗教学与高速 发展的介入手术技术的矛盾。深圳是一个高新技术产业密集的城市，在全国有着举足轻重的地位，深圳 作为经济特区优势

13、显著。深圳市拥有发达的软件产业，聚集了大批优秀的经验 丰富的软件工程师。同时由于毗邻港澳，深圳获取外界信息远比内地其他城市 方便。而且本项目的最初也是从香港的高校开始的，地理上的优势为我们的产 品的深度研发提供了进一步技术支持。深圳还拥有领先全国的电子产业和加工 业，这些都是我们产品试制过程中所必需的，也是国内其他城市无法比拟的。 深圳市政府对于发展高新技术产业，实现产业转型的决心，以及与之相应的给 予高新技术企业大力的扶持和服务，极大的鼓舞了创业者的信心。这对于我们 这样的科技型小微企业犹如雪中送炭，大大提高了我们的生存和发展的能力。作为创业者和新技术、新应用的倡导者，我们也坚信在虚拟微创手

14、术这一 领域的核心技术的发展，以及相关产品的推出，会积极的推动我国医疗教学和 培训体系的改革，并通过我们的不断努力和在这一领域的先发优势，使深圳成 为这一产业的龙头。1.2、项目的先进性本项目是集医学图像分割技术(Medical Image Segme ntatio n )，虚拟人三维重建技术(Geometric Modeling)，计算机物理建模技术(Physically-based modeling)，X光模拟成像技术(Simulated X-ray Imaging )，以及触觉渲染 技术(Haptic rendering )等多种计算机图形图像及虚拟现实领域的前沿技术， 真实的再现了手术

15、的场景，为使用者提供高度浸入感体验的虚拟手术环境。项目中所设计的关键技术主要以申请人近年来所发表的学术论文为理论依 据，包括申请人在香港中文大学就读期间发表的多篇国际会议和期刊论文。项 目基本代表了目前国际上血管介入手术模拟的发展水平。目前，在我国手术模拟技术和产品处于起步阶段，对于血管介入类手术模拟 训练，尚无可用的商业产品问世。而在欧美国家已经将手术模拟技术广泛的应 用到手术的教学与训练之中。甚至在美国，通过虚拟手术系统的考核是获得手 术执业资格的必备环节。本项目不仅可以用于手术教学训练，还能用于手术技 能考核的综合性虚拟手术平台，我司将是国内首家做血管介入类手术模拟平台 的厂家。因此，我

16、司进行此项目的研发在国内将是领先的。1.3、项目的重要性上世纪90年代，血管内介入技术引进我国，在我国迅速发展，至2012年仅心血管介入手术全年完成超过 20万例。但这一数字仅为美国的1/10，而我国 具备血管内介入诊疗资格的医生也不足美国的五分之一。2013年我国心脑血管患者约为2500万人，且每年新增超过100万。患者对于介入治疗的巨大需求， 一些操作经验不足，手术指征掌握不严格的医生对病人实施手术，结果医疗事 故频发，引发官司不断。血管内介入手术风险高，过程复杂，难度大；传统的 教学手段，导致培训合格手术医生的周期漫长，根本没法满足需求。而经验丰 富的医生，由于手术任务过于繁重，对于后备

17、梯队的建设也基本无暇顾及，从 手术教学到手术实践之间难以衔接。在欧美发达国家，虚拟手术系统已经广泛的应用，经验表明虚拟手术系统 可以大大提高培训医生的效率，缩短培训周期。美国权威机构Geis in ger医疗中心与多家医疗机构联合在全美范围内对虚拟手术系统在训练医生中的有效性 进行调查，并将调查结果被发表于2013年10月刊“ Catheterization andCardiovascular In terve ntio ns”。调查表明虚拟手术系统：（1）有助于受训者确认改善领域；（2）有助于受训者提高认知和操作能力以及心智技能；（3）对手术技巧进行客观评估；（4）不仅对于培训新从业者十分有

18、效，而且有助于确保经验丰富的医生保 持手术技能。1.4、项目的必要性由于传统手术教学训练手段单一，合格手术医生培训周期漫长，无法满足日益增长的心脑血管病人的需求，这一情况已成为我国血管内介入手术发展的 瓶颈。而本项目正适应这一需求的发展，以计算机虚拟虚拟现实技术为基础， 制定科学的培训课程。通过严格的训练过程，使学习者在临床和技术方面能具 备优秀的认知和操作能力以及重要的心智技能。从而推动传统医疗手术教学和 训练的革命，极大的缓解落后的传统医疗教学与高速发展的介入手术技术的矛 盾，加速介入手术在我国医疗体系中的发展。所以，研发本项目是非常有必要 的。1.5、项目在行业中的地位和作用1.5.1、

19、项目在行业中的地位本项目主要应用于血管内介入手术诊疗医生的教学和实践。2012年开始，根据卫生部要求今后仅有培训合格人员才具有独立从事心血管病介入诊疗的资 格，这标志着血管内介入手术医生的教学和实践即将进入标准化，体系化的阶 段。根据欧美国家经验，基于虚拟现实技术的模拟训练系统是手术教学，实践 才是考核体系中的重要一环。2013年湖南湘雅医院利用以色列公司Simbionix的血管内介入手术模拟训练产品ANGIO Men tor对两组从未接触过介入手术的培训学生培训进行对比测 试，结果显示，在经过手术模拟训练系统培训以后，学生对于手术的认知以及 手术过程中问题的解决能力有 30%以上的提升。同年

20、7月，RSCA(Th(Registry of Cardiovascular Specialists and Assistants)采用 Simbionix 公司的 ANGIOMen tor模拟器，为他们的认证服务提供医疗解决方案，包括心血管医学专家、 血管医学专家、心血管助理和医学模拟教学人士等。The Registry of Cardiovascular Specialists and Assistants (RCSA?)是一家非营利权威机构，为心血管专业人士开发标准化的认证课程。本项目是在国际先进技术基础上进行的国产化改进和集成创新，目前技术 地位属于国内领先。现阶段，我们将致力于填补国内

21、市场的空白，以各大医学 院，三级以上医院，专业的培训结构为主要市场目标，所以带来较为可观的经济效益和社会效益。1.5.2、项目在行业中的作用由于介入手术的特殊性，通常在学习过程中不可能直接用病人作为练习对 象，而只能利用动物或尸体进行练习，不但成本很高，而且难以得到足够的病 材来源。此外，由于练习环境与实际手术环境有较大差别，也难以得到理想的 学习效果。由于病材有限和手术安全性等方面的原因，低年资医师和中小医院 的医师往往得不到足够多的实践机会，因而手术水平也难以得到提高。而对于 大医院来说，培养一个成熟的介入手术主刀医师也往往需要数年的时间。而对 医学界来说，在低风险或无风险环境中对学生进行

22、手术培训非常重要。因此， 利用虚拟现实技术去进行培训很明显有着巨大的作用。本项目可以用来使医生逐步适应新型手术的具体流程，了解新手在手术进 行中可能遇到的实际操作问题。其作用主要表现在以下几方面：（1）本项目可以迅速高效的提高学习者的手术及其他操作技能，节约培训 医生的费用和时间。它可以使医生沉浸于虚拟的场景内，体验并学习如何应付 各种临床手术的实际情况，可以通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操 作。医生经过多次的手术模拟训练，并利用专家学者的手术经验和实力进行练 习，可以提高自身的操作水平。（2）本项目可以对训练者的手术能力做出评价。根据完成手术所用的时间 以及器械移动的平滑程度和效率，

23、来判断实习生何时具有临床手术实践的能力。（3）本项目可以改进医生手术前的计划过程。这个技术可以把各种诊断传 感器搜集到的信息集成到手术模型中，以方便医生做计划。医生可以在虚拟环 境中观察、分析和预测手术方案的后果、模拟手术的实施过程。1.6、项目预期实现的经济和社会效益1.6.1、项目预期实现的经济效益据心脑血管手术市场研究报告显示，我国目前拥有三级以上医院和医学院 超过1600家，因此我们估计该系统的市场总容量超过2000台，以每台基础价格50万元计，市场总价值超过10个亿。另据统计2014年我国心脑血管介入手术 实施超过60万例，而且这一数据也处于逐年增长的状态。预期，本项目在后续 为心血

24、管介入手术提供医学影像处理这一服务市场每年有超过2亿元以上的市场容量，并且以超过15%勺速度逐年增长。因此，本项目未来市场前景广阔，将 产生良好的经济效益。1.6.2、项目预期实现的社会效益我国先天性心脏病（先心病）的外科治疗始于本世纪40年代，基本上与西方 国家同步，50年代发展十分迅速，特别是心导管检查技术及体外循环技术的发 展起到巨大的推动作用。60与70年代发展较为缓慢，自90年代又有了突飞猛 进的变化。自90年代起，血管内介入新技术引进我国，在我国迅速发展，不断普及、 规范和提高。截止2012年仅心血管介入手术全年完成超过 20万例，但这一数 字仅为美国的1/10，而我国具备血管内介

25、入诊疗资格的医生不足美国的五分之 一。2013年我国心脑血管患者约为 2500万人，且每年新增超过100万，介入 治疗手术医生的需求巨大。目前，介入医学在我国蓬勃发展，介入医学队伍已经形成并还在逐步扩大， 但由于是新的领域，成果多、存在问题也多，而在人才培养、知识结构等方面 存在的问题已经或正在显现。从长远发展和形势严峻、紧迫的现状看，培养专 业的介入治疗手术医生已是迫在眉捷。本项目可以很好地缓解这一囧况。通过真实再现了手术的场景，让受训者 在具有高度浸入感体验的虚拟手术环境下反复练习，掌握流程，磨练技巧，大 大缩短了培训合格血管内介入手术医生的周期，不但可以节约成本和时间，而 且也可以降低非

26、熟练人员进行实习手术时的风险，对提高我国的医学教育水平 ii和整体医疗水平具有重要的社会效益。2、技术发展趋势及国内外发展现状2.1、项目相关技术的发展趋势计算机虚拟现实技术经过数十年的发展历史，在某些领域已有了成熟的应 用，例如飞行员的模拟训练，城市规划，室内设计等。随着计算机硬件，软件 的发展，虚拟现实技术也在日益完善，并不断地被应用到社会生活的各个领域。 在医学上，手术模拟也逐渐成为虚拟现实技术一个重要的研究方向。目前对于 手术模拟技术的研究主要有三个大方向：对于医学影像数据的处理，基于虚拟 人的手术过程模拟，多感知的人机交互界面。（1）对于医学影像数据的处理：医学图像数据的处理是一个重

27、要的研究领域，大量的研究集中于医学图像 的分割。图像分割技术的发展，使得依据医学影像数据建立包括人体各器官组 织及血管网的虚拟人数据库成为现实。就国际上目前的最前沿的研究成果来看， 完全自动分割，由于技术难度过大，尚无法实现。可以通过自动分割后手动调 整的方式加以解决。目前通过去噪和多模态数据融合，以及引入机器学习等技 术提高分割的准确率和自动化程度，是图像分割研究的重要方向。（2）基于虚拟人的手术过程模拟虚拟人是指，通过数字技术模拟真实的人体器官而合成的三维模型。虚拟 人的建模主要包括两个过程，几何建模和物理建模。几何建模：Marching Cube方法广泛用于提取三位体数据表面的方法，不同

28、改进的 Marching Cube方法被开发出来生成相对平滑， 噪声较少的表面。由于Marching cube方法生成表面通常不能满足手术模拟的需要，各种基于高斯滤镜的迭代算 法被广泛的用于表面的平滑处理。而如何在保持器官形状特征的前提下，尽量 的平滑表面也是一个重要的研究方向。物理建模：主要以三类模型为基础：质量弹簧模型，有限元模型和能量模型。质量弹 簧模型具有易于实现，对系统计算性能要求不高等优点，缺点是模型精确度不 高，结合人体组织力学特性参数困难。常被用于对精度要求不高，对实时性要 求很高的场景下，例如基于力反馈的触觉在线模拟。有限元方法是一种计算数 学方法，用于求偏微分方程的数字解，

29、并广泛的用于工程受力分析；具有很强 的理论基础，求解精度高，模型中的参数物理意义明确。但是，计算复杂度高, 完成求解的计算量巨大，导致有限元方法在实时形变模拟的应用上受到一定的 限制。能量模型以势能最小化原理为基础，对模拟系统建立能量函数，通过优 化方法最小化能量函数求解。手术过程的模拟中还涉及到碰撞检测（Collisio n Detection ），稳定性 分析等很多问题，通常手术过程的模拟没有标准化的方法，要结合所要模拟的 对象，根据它的物理特性，研究开发出相应的模拟方法。提高模拟的准确性， 算法的鲁棒性，以及保证模拟的实时交互，是手术模拟的目标。（3）多感知的人机交互界面：虚拟现实技术的

30、发展与硬件的发展密不可分，对于模拟手术系统来说，实时模拟医学影像的视觉反馈和操纵手术器械时的力反馈是模拟手术环境的逼真 度的重要影响因素。而且，通过硬件设备去捕捉操作者的操作过程和轨迹是进 行人机交互的基础。除了一些通用的力反馈设备，例如Sen sAble tech nologies的PHANTOO mni等（下图所示），通常来说，对于一个虚拟现实系统，需要研 究，设计和开发专用的硬件设备。2.2、项目的国内外研究开发状况我国虚拟现实技术在医学中的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的 机构在进行如远程医疗、器官3D显示、计算机辅助手术等方面的初步技术研究。 由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来，

31、国内大多数研究被限制在介绍国外的进 展或理论探讨的范围内。目前与医学相关的虚拟现实技术的应用主要包括：放 射治疗模拟定位、虚拟手术等领域。其中模拟手术训练是一种技术难度较大的 应用。国内仅见报道清华大学、解放军军医进修学院进行了应用于教学和训练 的虚拟手术方面的探索和研究。因此，大力发展在医学中具有自主知识产权的 虚拟现实技术已经是大势所趋。世界上发达国家都对虚拟现实技术在医学上的医用给予了高度的重视，国 外在虚拟现实技术方面研究处于领先地位。美国的Millersville University开发出一套具有触觉的仿真系统，操作者可使用系统进行虚拟腹腔镜训练：如切割和创伤缝合等操作。美国波士顿

32、动 力学研究中心(Boston Dynamics)研制的虚拟手术系统能产生十分逼真的血管、 心脏、大脑等的三维图像。加利福尼亚的旧金山大学外科系与伯克利学院的电 子工程与计算机科学系对虚拟腹腔手术的研究。日本Nagoya大学生物医学工程系微型系统工程实验室从事3D医学图像处理以及虚拟内窥镜方面的研究等。2.3、项目的产业化状况分析虚拟手术技术由于其低风险，低成本，可重复使用，应用灵活等优点逐渐 替代了传统的教学和训练手段。尤其在微创手术领域，虚拟手术技术提供了一 种崭新的意义深远的手术训练方式。在国外，基于虚拟手术系统的考核标准， 已经成为合格医生培养过程中必备的组成部分。国际市场上也有相对成

33、熟的产 品，例如Simbionix的ANGIOMentor，和Mentice的VIST这两个产品。这两款 产品可以模拟多种手术案例，能给使用这带来很好地浸入感体验，基本代表了 目前血管介入手术模拟的最高水平。但是他们的产品过于昂贵，不仅在中国， 即使在美国，大部分医疗机构也无力购买，严重影响了产品的市场需求。本项目以申请人在香港多年研究的成熟技术为基础，结合我司在技术方面 的创新，基本上代表了现有成熟技术的最高水平。通过精心的产品设计，以及我司采用产品设计把控，生产外包的模式，在短期间就可以快速实现产品的规 模化生产，并能完全满足我们对市场快速推广的产能要求。本项目产品包含多个模块，都可以完全

34、独立，既可以是一个系列化的独立 产品，根据相关客户的需求独立销售，也可以把模块组合起来，成为一个完整 的产品组合，实现多种功能。在实现产品的过程中，我们将通过相关协会组织，努力推进该类产品的标 准建立，在实现产品市场化的同时，完成标准的建立，并将努力成为标准的建 立者和实现者，从而在行业当中建立自己的地位。2.4、我市相关行业与国内外先进水平的差距国内介入手术训练还处于初级阶段，主要以医疗视频会议系统，仿真器具 或者动物活体作为教学和训练手段。尚无国产的血管内介入手术模拟手术系统 的产品在市场上销售。以色列公司的An gio Mentor产品和瑞典的VLST为代表的国外虚拟手术系统通过代理公司

35、在国内销售。与欧美国家相比，我国的医疗训练和考核机制还不尽完善。尤其是像血管 内介入手术这种高度复杂，难度大的手术，还没有建立起系统化的训练和考核 手段。而欧美国家以虚拟手术系统为核心，建立起综合性的模拟手术培训和考 核中心，通过由权威机构(如美国的RSCA(The Registry of CardiovascularSpecialists and Assista nts ),开发和制定标准化的认证课程，通过要求 严格的培训过程，使学习者在临床和技术方面能具备优秀的认知和操作能力以 及重要的心智技能。并通过专业化的考核，量化受训者对于手术技能的掌握程 度。从而形成一条循序渐进的培养过程。随着虚

36、拟现实技术的高速发展，以计算机模拟手术系统为核心的新型手术 教学，训练和考核系统将全面取代传统的教学和训练方式。深圳作为一个充满 着改革和创新意识的城市，理应这一过程中担当重要的角色。2.5、市场需求情况2.5.1、深圳市需求由于我司的产品在国内还没有自主实现生产，仅有从国外进口的少量产品 出现在市场上，在深圳市场还没有使用。但是为了满足相关医院培训的需要， 还是采用相对比较传统的方式，为了适应需要，在2010年深圳第二人民医院建立了手术室远程视频会议系统。在深圳，现有的三甲医院包括北京大学深圳医院、深圳市人民医院，深圳 市第二人民医院，深圳中医院，深圳宝安人民医院，深圳南山人民医院，深圳 龙

37、岗人民医院、深圳香港大学医院以及深圳市妇幼保健院，还有部分开展了介 入手术的民营医院，都将是我们的第一批重点客户，我们也会选择合适的医院 作为我们的合作单位，成为我们的免费试用合作单位，成为我们产品的窗口。基于我们产品的先进性和独创性，以及国内第一家厂家，我们预计我们在 深圳的市场占有率可以达到80%以上，同时我们也会积极拓展出口业务， 首先的 目标是东南亚市场，包括泰国，越南，印尼，新加坡等市场。我们会积极跟随 市场的需求，把我们的产品进行市场化，受益更多人。2.5.2、国家需求根据卫生部公布的数据（下表所示），我国共有三级以上医院1300多家，在三级医院的标准内，他们都有开展介入手术的需要

38、。2013年中国冠心病患者约为2500万人，且每年新增超过100万。我国仅冠状动脉介入治疗（PCI）手 术从2002年约2.5万例增长至2013年的48.8万例，增长近20倍。为了能够加快介入手术医生的培养，部分有资金实力的医院开始引进了 “手 术视频示教应用系统”。对于医院来说，这套设备需要的投入大约50万到70万之间，同时还需要配备专用的培训会议室。利用模拟设备来训练合格介入医 生，虽然也已经有引入国内的设备，但设备尤为昂贵，而且与国内的需求存在 一定的差异，所以没有能够在国内推广，现在这方面国内市场基本还处于空白。 我们项目的手术模拟设备正是看中了国内市场在培养合格介入医生的迫切需 要，

39、以及实际市场中存在的空缺，发现其中存在的市场机会。针对市场容量方面，基于我们前面针对介入手术需求的分析，国内在合格 介入手术医生的培训方面就有超过 50亿人民币以上的市场规模，而在数据服务 方面，根据现有的介入手术量计算，每年产生出来的服务费用超过10亿，并且还处于高速增长期。ztttt 年H月虑201。年1!月底増殒数953432932W20441一、医院21638.205451090公立医隧U53513904-319说营医陆3 05 3两414闻医院中:三级医隨136312?36二级E院6522643191546150Q14刃二、基展斷卫生机构39329019腺区卫也翳中心（站）32512

40、2?36234刃猿政府办194?3111078091多锁卫生院3.73743沉34-?60非政府办3喊37037-156诊所（医务室）t7346942騎尅卫生室65559664335311213三、其他机构14416141532633、项目主要研究内容3.1、项目涉及的技术领域本项目涉及的技术领域是生命健康领域。3.2、拟解决的关键技术3.2.1、以人体医学影像数据为基础，建立虚拟手术病例及时的根据病人诊断过程中采集的医学影像数据建立虚拟手术病例，是实 现手术前模拟和计划的关键，涉及到图像处理，3D建模等技术。其中主要的研究内容包括：（1）图像去噪（Denoising）由于医学成像设备和环境的

41、干扰，通常医学图像中存在着较多的噪声，图 像的噪声直接影响到后续图像处理的质量。然而噪声的某些特性和图像中的边 界信息十分相似，所以如果在保留边界的情况下，很好地去除噪声是研究的重 要内容。所涉及到的关键技术是我们提出的一种基于L0范数进行优化的保边去噪方法，我们通过这种方法把图像分割的精度提高到90%以上。（2）图像分割（Segmentation ）我们的项目中目前使用了改进的 Levelset方法对图像进行分割，因为医学 图像获取机理以及人体姿态，环境等复杂因素，导致在图像上，某些区域不可 分或者边界模糊，很难分割。因此我们计划研发出一套基于机器学习技术和大 数据的图像分割技术。在拥有大量

42、人体医学影像数据的基础之上，我们设计一 种基于神经网络的深度学习（Deep learning ）方法，对图像中的人体某一器官 进行识别。由于机器识别率不能达到100%我们会对机器标识的数据进行人工筛选，从而去除识别错误的结果。把正确的结果反馈给系统的深度学习网络， 强化系统的学习能力。通过不断的迭代和进化过程，提升系统的认知能力，使 机器分割的能力不断增强，基本实现 CT和核磁共振图像的全自动的图像分割。（3）多模态图像数据融合（Fusion）因为CT,核磁共振和超声的发射源和成像机理不同，不同医学影像中人体 组织的反射效果也不尽相同，在一种图像中不可分的组织，在其他的图像中却 可以清晰地区分

43、。利用这一特点，通过对多模态数据的融合，提高医学影像信 息的完整性。我们计划研发一种结合有限元技术的非刚体配准的方法对不同的 图像进行配准，再对配准以后的图像数据进行融合。(4)人体组织器官与血管网的几何建模对于人体的几何建模，我们主要研究两类方法：一种是根据图像分割后所 得到的体数据(Volume data )，通过提取体数据的表面信息，从而获得人体的 三维模型。这种方法生成的模型通常不够光滑，为了获得高质量的模型表面， 需要进行表面去噪处理。另一种是对于结构性比较强的目标物体，例如人体血 管网，通过事先提取的血管网中心线，以及相应的半径信息，生成血管网的三 维模型。这部分所涉及到的关键技术

44、包括：A、能保留模型局部特征的加权滤镜去噪技术；B、血管网中心线自动提取技术；C基于平行传输局部坐标系(parallel tran sport frame)的血管表面生成技术。322、手术过程的互动式模拟这部分的研究内容主要是根据物理定理和物理方程对不同类型的目标物体(如弹性杆，块状物体，流体等)进行离散化处理，建立物理模型，并为物理 模型构建出适合计算机的数字求解方法。一般的物理定理及方程都及其复杂， 在建模的过程中如何进行简化，同时保证模型对真实物体的模拟精确度是个十 分重要的研究内容。对于一些计算资源要求极高的算法，需要通过并进行计算 的技术加以加速。这部分所涉及到的关键技术包括：A、基

45、于基尔霍夫弹性杆理论的多网格的快速导管模拟技术；b、GPUrn速的共转线性有限元技术；C基于Navier-stokes方程的血管造影术模拟技术。323、人机交互虚拟环境的建立人机交互接口的设计和实现也是虚拟现实技术的重要研究内容。对于我们 的研究，一方面是以计算机图形渲染技术，将由虚拟人和手术器械等组成的虚 拟手术环境以X光透视视图或者三维解剖结构视图的形式显示出来。另一方面是设计和实现能够捕捉操作者操作轨迹的设备和能够将在虚拟环境中应该受到 的力反馈给操作者的触觉再现设备。这部分所涉及到的关键技术包括：A、以病人CT数据实时生成X光透视影像的技术。B、使用一种精巧的设计，可以同时捕捉操作者在

46、操作导管导线时的纵向和 轴向两种运动。3.3、拟采用的技术原理3.3.1、医学图像处理(Medical Image Processing)图像处理是对医学图像数据进行进一步应用的基础，是国际上一个非常热 门的研究领域。随着医学成像技术的发展与进步，图像处理在医学研究与临床 医学中的应用也越来越广泛。在对医学图像进行处理的应用中，主要是集中在 图像去噪(Image Denoising)，图像分割(Image Segmentation) 和图像配准 (Image Registrati on)等三个方面。图像去噪在采集医学数字影像时，通常会受到成像设备和外部环境噪声干扰，为了 减少图像噪声对后续处理

47、的影响，图像去噪是一个重要的环节。图像配准在不同成像设备下，人体不同组织的反射特性是不同的；通过对获取的两 幅或者多幅图像进行匹配、叠加，从而获取更加完整准确的人体组织器官信息。图像分割图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴 趣目标的技术和过程。图像分割的目的是简化或者改变图像的表示形式，使得 图像更容易理解和分析。对于图像分割问题没有统一的解决方法，这一技术通 常要与相关领域的知识结合起来，这样才能更有效的解决该领域中的图像分割 问题。通过对病人进行诊断过程中所获得的医学影像数据(例如CT,核磁共振等)进行处理，分割出精确的人体器官和组织，从而建立起数字虚拟人的数据

48、库。3.3.2、计算机几何和物理建模(Geometric and Physically-based Modeling)(1)计算机几何建模它是一种通过计算机表示，控制,分析和输出几何实体的技术。以几何信息 和拓扑信息反映结构体的形状、位置、表现形式等数据的方法进行建模就称为 几何建模。几何信息即指在欧氏空间中的形状、位置和大小，最基本的几何元 素是点、直线、面。拓扑信息是指拓扑元素(顶点、边棱线和表面)的数量及 其相互间的连接关系。在我们的实际应用中，用于表征几何模型表面的基本单 元是三角形，用于表征几何模型内部空间的基本单元是四面体。以几何模型为 基础，凭借计算机图形技术的渲染(Render

49、ing ),就可以将虚拟的物体显示在 三维空间中。(2)计算机物理建模物理建模是指通过数学方法(如偏微分方程)和物理方法(受力分析，能量守恒)对目标物体的机械力学(Mechanics)、流体力学(Hydromechanics) 和热力学(Thermodynamics)等特性加以描述，建立虚拟的物体。并通过计算 机算法对模型加以实现，从而实现目标物体之间，以及目标物体与外界环境的 交互。3.3.3、人机交互接口 (Visualization and Haptic Rendering)人机交互接口是虚拟现实技术重要的组成部分，模拟系统通过人机交互接口 与使用者进行交互，并取视觉和触觉反馈。(1)视

50、觉反馈(Visualization)包括模拟医学影像的生成和三维虚拟人的交互式导航。根据医学成像设备 的成像机理，使用计算机图形学的手段模拟真实的成像过程，从而生成基于数 字虚拟人数据的模拟医学影像。三维虚拟人的交互式导航是一种全新的认知人 体解剖结构的方法，使用者通过对计算机外围控制设备的操作，对经过三维重 建的虚拟人进行任意角度，深度和模式的观察。（2）触觉反馈（也叫触觉再现 Haptic Ren derti ng ）是指在特殊设计的硬件为载体，将手术中医生操作手术器械所感受到的反作 用力反馈给操作者，并将操作者对手术器械的操作轨迹输入给计算机。3.4、拟采用的技术方法341、主要技术3.

51、4.1.1、CT和核磁共振图像分割技术图像分割是将医学影像应用于手术模拟的基础。经验丰富的医生可以准确的在医学图像上手动的分割出人体不同的组织器官。然而CT，核磁共振的图像数量巨大，每张图像中不同的组织器官类型众多，因此不可能完全通过手动的 方法完成分割。而利用计算机自动进行图像分割则可以大大提高了分割的效率 和速度。然而，由于医学成像设备和环境的干扰，通常医学图像中存在着较多 的噪声，这对分割的精度有很大的影响。因此，我们研发出对图像中的非结构 化信息进行平滑（Smoothing）处理并尽可能保留边界信息的技术，去除了医学 图像中的高频噪声，并锐化了图像中主要的边界。然后再使用Level S

52、et方法对图像进行自动分割。下面左图显示了一副脑部核磁共振的原始图像，右图则 是进行分割以后的结果。以经验丰富的医生手动的分割结果作为标准，把我们的方法自动分割的结果与之进行比较，精确度达到90%以上。341.2、基于CT和核磁共振图像的虚拟人三维重建技术将CT或核磁共振图像数据集经过分割以后，建立起人体各种组织器官的体 数据库。我们使用了 Marching Cube的方法提取人体器官，骨骼，血管以及神 经的表面，并使用加权高斯滤镜对提取的表面进行平滑处理，获得高质量的人 体各种器官组织的三维表面数据。3.4.1.3、人体组织器官和手术器械的物理建模和形变和交互模拟通过多年的研究，我们掌握了使

53、用基于物理(Physically-based )的建模 方法对人体组织器官、手术器械(如导管，支架，球囊等)以及他们之间的相 互作用进行建模。我们主要使用如下两种方法： 对物体在形变过程中产生的弹性势能和动能进行分析，将物体离散化， 用数学公式描述物体的离散能量方程与形变的关系。通过对能量方程的求解，获得物体的形变和运动轨迹。和受力分析。再求解出物体的受力情况以后，结合动力学方程，计算出物体的受力形变。 根据连续介质力学(Continuum Mechanics)对物体进行受力分析，对 物体进行离散化，并使用有限元方法(Fin ite eleme nt method )建立离散单元 受力和形变之

54、间的关系，再配合动力学方程，求解物体在受到外力作用下的形变和运动轨迹。下图是我们使用能量分析的方法模拟血管瘤栓塞术过程的截图：(4在交互式模拟中，碰撞检测技术是非常重要的技术， 而且往往需要消耗大量 的计算资源。我们根据导线和血管网的特征，提出并开发了一种对导线和血管 壁进行碰撞检测的快速算法。以血管网中心线建立索引，并以血管横截面划分 空间，对碰撞点进行跟踪，大大缩小了进行碰撞检测是需要搜索的空间，从而 提高检测的效率。petec-*4420 faces1020珑4&Wnumbef of colrsk)n nodes454Dn um b r of oolliion nodes10341.4、

55、X光成像模拟技术(b)在血管内介入手术的过程中，医生只能在X光影像（血管造影术，数字减影技术）的引导下进行手术操作。我们根据X光成像的原理，以采集到的人体CT影像数据为基础，结合 Opengl中的3D纹理技术和GPU shader技术模拟了 X 光影像和血管造影术。下图是我们模拟血管造影过程的截图： 341.5、硬件虚拟人、人机交互、及触觉渲染(力反馈)技术我司自行设计了硬件虚拟人，用于获得受训者的操作轨迹，并反馈给受训 者手术操作中应该感受到的反作用力。我们通过一些精巧的设计，以较低的成 本，制作出一种装置；受训者在手术中操作导管导线的过程中，能够精确的捕 捉前进，后退，转动等微小的运动。再

56、将运动信号进行编码，并作为输入传递 给软件系统。我们还设计了能够产生运动阻力的机械装置，将软件系统计算出 的力，通过这一装置输出给受训者。342、性能指标342.1、系统的精确性并对在血管内介入手术中，对导线导管的操作是手术的基础与核心，我们采用 的方法高度仿真导管导线的物理特性和行为，并有很好的稳定性。我们用实验 的方法，对模拟效果加以验证。用仿真器具与真实的手术导管建立了一个真实 的实验环境 管状血管(Curved tube )和分支血管(Branching tube)， 应的建立了相同的虚拟环境。对真实和虚拟的导管进行相同的操作，并记录结果。我们以均方根(root mean square

57、 )误差来度量两条导线位置和形状相似 性的指标，结果如下表所示(表中数据以毫米为单位，一组数据中前面是均方 根误差，后面是最大误差)，可见我们总是可以把均方根误差保持1.5m m以内The scenario through a curved tubeX123(LI1.111.961.232.221J52.370,21.041,931,092,141.412,48OA0.98L731.102.23282.320,81.15 2AJ2L312,38L392,41I hc scoihirio1 Jianchiiix tu 1X1230,11.132.041.322.351.42.440.2122Q8

58、1,282.241.332.380,41.091.941.222.15l.：362.420.81.22.09l+352.39L432.51342.2、系统的实时性为了保证虚拟手术系统的实时交互性，我们对各算法进行了优化，并对一 些对计算要求高的算法，利用 CUDA技术进行了 GPU加速。我们使用Intel Dual Core 3.2G的CPU NVIDIA GeForce 8800的GPL和4G内存的平台对我们的系 统进行实时性的测试，能稳定的保持在20fps ( Frame per seco nd)以上，满足了虚拟手术系统对于实时互动性的要求。3.4.2.3、系统的有效性我司对系统帮助受训者

59、获得手术技巧的有效性进行了实证研究。邀请了16个医学院学生和4名有血管内介入手术资格的医生参与实验。学生分成两组， 分别是Group A和Group B，医生分入Group C。我们设计了一个使用复杂形状 导管和导线配合，进入升主动脉(Ascending aorta )的任务。首先，Group A 和Group C在我们模拟的手术环境中，依次按手术要求完成10次任务，并记录所用时长。从(a)图显示的学习曲线可以看出，在完成 6, 7次之后，学员的表现进入了一个平台期，而有经验的医生则始终保持稳定的表现。然后，我设计一个相同的任务，但使用了仿真器具和真实导管导线。从（b）图可以看出,在这个任务中

60、，经过我们的虚拟手术环境训练的学生比没有经过训练的学生有 更好的表现。70.00 -60.00 50.00 -40,003O.OQ -20.0010.00 -Group A0.00 IIIIIIIIII123458-79910session(a)40 _ Group A(b)综上所述，依据统计学和认知心理学，我们的实验结果反映出我们的虚拟 系统可以很好地帮助学员获得手术技巧。3.5、拟采用的技术路线3.5.1、产品总体框架下图是我们的虚拟手术系统的总体结构框架图，系统由两大部分组成，分别是中央处理系统和人机交互接口。中央处理系统由一台PC主机，和若干个GPU 组成。中央处理系统负责从用户接口获