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“可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究”重大项目指南

时间:2011-07-30 22:18:42  来源:  作者:

可交互人体器官数字模型及虚拟手术的基础研究将创新医疗人才培养模式,提高优质医疗资源利用率,缓解医患矛盾,推动外科手术的精准化、微创化和个性化。本重大项目围绕人体器官几何、物理(力学)、生理建模和虚拟手术等方面的基础科学问题,通过多学科交叉研究,构建刻画人体器官形态特性、物理特性、生理特性及其相互关系的高精度三维数字模型,建立具有切割、缝合、灼烧等功能的虚拟手术理论方法、技术体系和原型系统,为手术模拟训练、手术方案论证和手术远程协作奠定基础。

  一、科学目标

  可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究是信息技术和现代医学技术发展的重大需求,也是数字建模、虚拟现实、人机交互等实现理论和技术突破的活跃领域。美、德、法、日等发达国家投入大量资金开展了相关研究,可实现60万个面片、5万个物理计算单元的人体器官三维数字模型的实时交互操作,力觉误差小于15%,一些成果已初步用于骨科、口腔、肝胆等手术模拟培训。我国在人体数据采集、骨骼生物力学建模、虚拟手术等方面开展了多年研究,具有技术和人才基础。

  本重大项目针对“可交互人体器官数字模型及虚拟手术”这一重大的信息科学和生命科学交叉的前沿问题,依托我国具有自主知识产权的数字化人体数据集,从基础科学理论和典型示范应用两个层次,开展基本科学问题和关键技术研究。

  1.基础理论和关键技术方面

  研究多模态数据特征自动提取、三维模型矢量化等人体器官多尺度几何建模;离体与在体相结合的物理特性获取、多生理系统相互作用模型等人体器官物理建模和生理建模;基于生物力学的力觉反馈机制、复杂因素作用下的人体组织器官响应模型等手术虚拟仿真与手术评价三个方面的科学问题,建立可交互的人体器官的几何、物理(力学)、生理模型,以及虚拟手术与评价理论;研究可为虚拟手术提供共性支撑的高真实感绘制方法和高精度力反馈交互等关键技术,形成具有较高可信度的虚拟手术支撑平台。研究成果在本领域顶级期刊和顶级国际会议发表,并产生重要影响。

  2.典型示范应用方面

  以心血管介入手术为研究对象,研制支持心血管介入手术模拟训练的原型系统,其中心脏等主要器官数字模型精细度不低于100万面片,物理计算单元不低于10万个;视觉仿真频率不低于24帧/秒,力反馈相对误差不大于10%。通过多学科交叉研究,带动微创外科和精准外科新理论、新技术和新医疗器械的研究。

  二、研究内容

  1.人体器官几何形态建模与矢量化

  根据人体器官的解剖结构特点,以及器官在不同个体间的形态学变化规律,依托我国具有自主知识产权的数字化人体数据集,辅以活体MRI或CT数据,研究人体器官几何形态建模与矢量化基础理论和关键技术。主要研究内容包括:人体器官几何形态高精度数字化;多模态数据特征的自动提取、配准和融合;人体器官表面模型的数学建模和统计分析;人体器官的形态学语义描述;人体器官三维模型矢量化;适于拓扑变化(切割、缝合、自碰撞和大尺度变形等)的人体器官多模态数据表示模型及其融合。

  2.人体器官物理和生理建模

  综合考虑人体器官物理特性(重点考虑生物力学特性)、生理特性的复杂性,特别是两者之间的相关性,研究人体组织器官物理和生理建模基础理论、方法与关键技术。主要研究内容包括:人体组织器官离体与在体相结合的物理特性获取;个性化器官的动态、多层次、自适应物理计算模型;人体组织器官在体物理特性的可感知性表达;多器官及组织的物理耦合模型;物理特性和生理特性的耦合建模方法;人体器官多生理系统的相互作用模型。

  3.手术虚拟仿真与手术评价方法

  基于可交互人体器官数字模型和力反馈操控装置,研究手术虚拟仿真和手术评价的基础理论和关键技术。主要研究内容包括:基于生物力学的力觉反馈机制;复杂因素作用下的人体组织、器官响应模型和改重建模拟方法;手术器械功能仿真与手术评价方法;手术作业行为与交互方式模拟。

  4.人体器官及手术现象的实时逼真绘制理论与医学数据可视化方法

  针对医疗对象模态多、数据量大、细节丰富等特点,研究医疗对象和医学现象的实时、逼真绘制理论和关键技术,主要研究内容包括:医学器官表面活性和管道流场的三维表现模型;软组织柔性、粘滑、黏弹性的实时全局光照绘制理论与方法;高精度个性化数据驱动的脏器体纹理合成和映射方法;流血、灼烧、病变等医学现象及手术特情的实时逼真表现方法与技术;多通道三维立体显示技术;特征驱动的医学数据可视化分析。

  5.可交互人体器官数字模型在临床诊疗中的典型应用

  面向手术模拟培训需求,基于本项目研究成果,开展集成创新研究,构建心血管介入手术应用验证系统。主要研究内容包括:软组织器官的大尺度形变、碰触与实时切割仿真;血液流动模拟;个性化信息自动获取与器官模型驱动;虚拟空间中手术模拟器械的高精度跟踪定位;高效率的力学模型解算;实时精确的流固体碰撞检测与响应;医学数据的统计分析及可视化。

  三、资助期限 5年 (2012年1月至2016年12月)

  四、资助经费 2000万元

  五、申请注意事项

  1.申请书的资助类别选择“重大项目”,亚类说明选择“项目申请书”或“课题申请书”,附注说明选择“可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究”(以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理)。

  2.“项目申请书”中的“主要参与者”只填写各课题“申请人”相关信息;“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“项目申请人”所属依托单位公章,“合作研究单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章。

  3.“课题申请书”中的“主要参与者”包括课题所有主要成员相关信息;“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章,“合作研究单位公章”盖合作研究单位的法人单位公章。

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