项目介绍

[PCI心血管介入手术模拟器]

PCI心血管介入手术模拟器,是我国自主研制的首台可支持个性化临床数据即时建模仿真的手术模拟器。

医疗仿真

PCI心血管介入手术模拟器 :

心血管介入手术模拟器是我国自主研制的首台可支持个性化临床数据即时建模仿真的手术模拟器,可用于心内科基础教学、手术技能培训、个性化手术规划与预演、手术效果评估、新型手术技术实验等,

在个性化病例数据动态接入、柔性对象物理行为仿真、全手术过程力觉反馈、三维逼真绘制与临床影像动态关联展示等方面极具特色,并在物理、视觉、力觉真实感和实时仿真效率等方面具有整体优势。

项目背景:

可交互人体器官数字模型是利用信息技术和现代医学技术建立的能够全面刻画人体器官形态特性、物理特性和部分生理特性的数字模型,可支持切割、缝合、自碰撞和大尺度形变等交互式诊疗操作。

基于可交互人体器官数字模型的虚拟手术包括手术模拟训练、手术方案规划和手术预演与评价等 ,其对创新医疗人才培养模式、提高优质医疗资源利用效率、缓解医患矛盾、带动医疗器械产业发展等

具有重要的技术支撑作用,是我国抢占医工交叉技术制高点的新突破口。在此背景下,国家自然科学基金委于 2012 年 1 月正式立项支持了“可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究”国家自然科学基金重大项目,

项目编号: 61190120 ;项目执行时间: 2012.1-2016.12 ;项目总经费: 2000 万元。北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室作为项目牵头单位,联合组织第三军医大学,上海交通大学,南方医科大学,

北京协和医院的优势力量(含 2 个国家工程中心、 3 个省部级重点实验室、 4 个附属医院)共同开展理论研究和关键技术攻关。



主要内容:

以可交互人体器官数字模型和虚拟手术的基础理论和方法为核心,项目凝练了三个基本科学问题:人体器官的多尺度几何建模理论、人体器官物理建模与生理建模理论、手术虚拟仿真与评价理论。

项目从基础理论研究、关键技术创新、典型应用示范三个层次,设置了相互配合、有机联系的五个课题,分别是:人体器官几何形态建模与矢量化、面向可交互人体器官数字模型和虚拟手术的物理与生理建模、

手术虚拟仿真与手术评价的基础理论和关键技术研究、人体器官及手术现象的逼真表现与绘制理论和方法、虚拟手术支撑平台及经皮冠状动脉成形术模拟训练原型系统。

如图 1 所示,课题一、二侧重人体器官的几何、物理、生理建模理论研究,课题三侧重交互理论研究,课题四侧重绘制和可视化理论研究,课题五侧重应用技术研究、平台与原型系统研制,

同构建了建模、交互、绘制的理论体系和验证系统。


在人体器官矢量化建模方面:针对人体器官结构存在多尺度空间和不同组织结构成像差异,导致三维矢量化建模困难的挑战,建立了多模态、多尺度的联合建模理论,将高精度数据集与临床个性化数据融合,

搭建了形态学研究从宏观到微观、从系统到局部、从静态到动态的桥梁。

在人体器官生理建模方面:针对生理和病理条件下血管组织形态、血流流场与物质传输相互作用以及多场作用下植介入支架手术的生物学效应的定量描述问题,提出了基于多尺度多场耦合生理模型的植介入体

与宿主组织相互作用仿真理论,建立了主动脉,颈动脉,腹主动脉,脑动脉,冠状动脉等多尺度心脑血管模型,仿真了导丝 / 支架等植介入体与血流 / 血管、一氧化氮 / 腺嘌呤等物质的相互作用,

揭示了植介入体与宿主组织相互作用的生物力学及力生物学规律,可为心血管植介入虚拟手术和手术规划提供理论支撑。


在流固交互物理仿真方面:针对心脏介入手术中血流和手术器械相互作用物理过程复杂多变,对其模拟的计算量大,实时性难以保证的难题,基于血流动力学分析基础,提出了一种粒子与网格混合的建模方法,

建立了流体和固体耦合的几何表示与物理解算模型,较为真实地模拟了血流与导丝的相互作用。

在六维力觉交互仿真方面:针对人体组织和手术器械的多样性,以及力觉交互的高实时性和高稳定性要求,提出了层次球树单边接触约束建模和基于位姿变量约束优化的六自由度力觉合成理论,

现了复杂形状刚体、变形体、混合组织的多点多区域接触下的 1000HZ 的六维力和力矩联合模拟。

PCI产品视频地址:

链接:http://pan.baidu.com/s/1i4RKcpZ 密码:02hf