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研究方向
 
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研究方向  
 

中心研究领域主要包括计算机辅助医学、科学可视化、医学图像、虚拟现实在医学上的应用、人机交互和计算机图形学等。目前在脑卒中的计算机辅助诊断、虚拟人精密可视化与虚拟解剖等方面开展了开拓性的工作,正逐步进行产业化,研究成果已得到国内外相关专家的认可并已开始在国内外推广。

近期开展的科研项目如下:

1.基于虚拟现实技术的远程协同介入手术训练的研究(国家自然科学基金资助项目,与301医院合作)

本项目重点研究和开发适用于远程协同手术训练的具有多通道感觉的仿真虚拟手术环境。一方面操作者可在远程节点操作虚拟手术器械,通过力反馈感知手术过程,并可得到服务器端医学专家的指导。另一方面充分利用远程医疗服务中心的软、硬件条件,使医学专家可以在服务器端的中心节点直接进行虚拟手术,控制远端的模拟硬件设备,提供远程手术观摩和预演。

2.下颌部整型美容手术模拟的关键技术研究(国家自然科学基金资助项目)

本项目将对由口内入口的下颌部整形美容手术模拟的关键技术进行研究,重点研究通过触觉反馈交互导航的手术模拟过程。研究内容包括:建立手术器械与各种人体组织器官交互的力反馈模型,区分不同软硬组织和异常部位的形态;模拟下颌部的微创整形美容手术过程,进而通过增强触觉信息指导下颌部整形美容手术的训练以及临床过程;构造基于物理的变形模型,模拟手术中的多种人体组织联合的生物医学变形过程。 

            

3.虚拟人精密可视化与虚拟解剖

虚拟医学依靠计算机技术帮助医学领域的学习与训练,虚拟解剖作为一种高级技术可以明显缩短学习与处理不同人体解剖结构的时间与尸体限制。本项目研发基于个人计算机图形卡加速可视化的技术,基于图像单卡进行高清可视的运算显示,对图像进行硬体无损压缩以减少在传输中资料的传递,发挥图像硬体在图像处理上的优势,对已编码的图像进行即时的解码,即时渲染大规模可视人数据。实现精细地展示人体组织器官导航,可清晰地学习与研究人体解剖结构的细节。   

 

             

          

4.脑血流控制监测软件的开发(中英国际合作项目)
  
大脑血流控制机能的受损与脑卒中、脑肿瘤、早产婴儿等许多严重的脑神经疾病及脑部疾病并发症相关。在数分钟内,无创且连续地脑血流(利用经颅多普勒技术)和血压的测量可用于评估和监测人脑的血流控制系统。该项目开发可用于临床评估和监测脑血流控制系统的软件并利用大量的患者和正常人数据进行方法测试和对比。其目的是为了测试设计方法并与其他方法进行对比,找出最适用于该商用软件的技术。可与中国合作企业所生产的超声设备捆绑销售或作为单独的软件模块。

              

5.结合电传导与机械运动的心脏功能分析研究(香港RGC项目,与香港中文大学合作)
   结合多模态的心脏诊断信息(CT, Tagged MRI, Cardiac Ultrasound, ECG等),
建立多层次的虚拟心脏的三维模型,模拟心脏电激励和力学信号的相互转化过程。结合心脏电模型上力信号产生的过程和力学模型上电位映射的变化,构建电传导与机械运动结合的心脏功能模型。主要研究内容包括:重建多层次的心脏解剖结构及恢复其运动信息;建立虚拟心脏电激励的传导模型;利用心脏的运动重建和电激励的传导模型,整合研究电传导与机械运动分析心脏功能。为心脏疾病的产生及过程探寻机理并对临床诊断提供有力的辅助依据。
 

             

6.GPU加速建模与生物医学图像处理
   随着GPU的发展使大数据量的浮点运算得以进行
,可实现生物医学高逼真的实时可视化与建模。同时GPU拥有并行计算与交互式图形处理的双重属性,非常利于有效的人机交互。目前研究内容包括:基于粒子系统模拟血流;基于CUDA的三维快速并行体绘制;应用于生物医学大数据量的显示与远程医疗的编解码快速实现;CT图像加速三维重建;基于GPU的医学图像高精度快速分割;基于内容的快速医学图像检索。通过GPU加速实现生物医学建模与可视化的研究,可帮助解决生物医学数据量大、运算模型复杂、大规模实时显示与模拟等困难

                 

7.虚拟骨科手术机器人模拟和训练系统(中科院知识创新工程重要方向项目)

本项目基于虚拟现实技术和机器人技术,设计和实现了一个交互式的机器人手术模拟系统,用于骨科手术的规划和训练。立体显示界面和触觉交互界面能够向操作者提供实时的视觉和触觉反馈,对骨科机器人手术中的手术场景、手术对象的解剖结构、手术工具与手术对象交互的过程进行了逼真的模拟。采用主从控制结构,通过操作主控端的力反馈设备对从动端机械臂的运动进行精确控制,实现了对机器人遥操作过程的模拟。该系统能够有效地提高医生的手术技能、降低医生的培训成本、降低病人承担的手术风险,在机器人遥操作手术技能的训练方面具有良好的应用前景。

     

8.高逼真可交互虚拟手术系统理论及关键技术(国自然基金重点项目)

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。

9.基于知识的脊柱MRI影像分割算法研究(国家自然科学基金资助项目)

脊柱的核磁共振(MRI)影像在脊柱疾病的临床诊断和疗效评价方面有着日趋重要的作用,而从MRI中自动的分割脊柱以及定量的分析每节椎骨是计算机辅助疾病诊断中的关键问题。本项目拟提出一种基于脊柱统计形态知识与可变性模型的新的脊柱MRI分割方法。具体来讲,我们将从CT影像训练集上结合专家知识构建由整体到局部的脊柱统计形态知识库,其中不同个体间的椎骨对应点的标定将需要提出新的保角变换算法,并利用该统计信息引导可变性模型对MRI图像中的脊柱进行分割。我们将会将所提出的算法扩展到分割脊柱侧弯与强直性脊椎炎的脊柱MRI图像中。