項(xiàng)目可行性研究報(bào)告(案例)

創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目可行性研究報(bào)告創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目可行性研究報(bào)告1/52 深圳市技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目可行性研究報(bào)告 項(xiàng)目名稱：基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的血管內(nèi)介入手術(shù)綜合平臺(tái)申請(qǐng)單位：深圳市xx科技有限公司項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：xx移動(dòng)電話：電子郵箱：傳真： 目錄1、項(xiàng)目實(shí)施的背景意義 51.1、項(xiàng)目所面向的我市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技發(fā)展等有效需求 51.2、項(xiàng)目的先進(jìn)性 61.3、項(xiàng)目的重要性 71.4、項(xiàng)目的必要性 81.5、項(xiàng)目在行業(yè)中的地位和作用 81.5.1、項(xiàng)目在行業(yè)中的地位 81.5.2、項(xiàng)目在行業(yè)中的作用 91.6、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 101.6.1、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益 101.6.2、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的社會(huì)效益 102、技術(shù)發(fā)展趨勢及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 112.1、項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢 112.2、項(xiàng)目的國內(nèi)外研究開發(fā)狀況 132.3、項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化狀況分析 132.4、我市相關(guān)行業(yè)與國內(nèi)外先進(jìn)水平的差距 142.5、市場需求情況 152.5.1、深圳市需求 152.5.2、國家需求 153、項(xiàng)目主要研究內(nèi)容 173.1、項(xiàng)目涉及的技術(shù)領(lǐng)域 173.2、擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 173.2.1、以人體醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立虛擬手術(shù)病例 173.2.2、手術(shù)過程的互動(dòng)式模擬 183.2.3、人機(jī)交互虛擬環(huán)境的建立 193.3、擬采用的技術(shù)原理 193.3.1、醫(yī)學(xué)圖像處理（MedicalImageProcessing） 193.3.2、計(jì)算機(jī)幾何和物理建模（GeometricandPhysically-basedModeling） 203.3.3、人機(jī)交互接口(VisualizationandHapticRendering) 203.4、擬采用的技術(shù)方法 213.4.1、主要技術(shù) 21、CT和核磁共振圖像分割技術(shù) 21、基于CT和核磁共振圖像的虛擬人三維重建技術(shù) 22、人體組織器官和手術(shù)器械的物理建模和形變和交互模擬 22、X光成像模擬技術(shù) 23、硬件虛擬人、人機(jī)交互、及觸覺渲染（力反饋）技術(shù) 243.4.2、性能指標(biāo) 24、系統(tǒng)的精確性 24、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 25、系統(tǒng)的有效性 253.5、擬采用的技術(shù)路線 273.5.1、產(chǎn)品總體框架 273.5.2、手術(shù)模擬系統(tǒng)的技術(shù)原理 273.6、項(xiàng)目的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn) 283.6.1、圖像保邊去噪技術(shù)及在圖像分割中的應(yīng)用 283.6.2、基于血管中心線提取的血管網(wǎng)三維重建技術(shù) 293.6.3、基于多網(wǎng)格技術(shù)的快速導(dǎo)管導(dǎo)線模擬方法 303.6.4、基于GPU加速的快速非線性有限元技術(shù) 313.7、項(xiàng)目涉及的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán) 314、項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)及市場前景 324.1、項(xiàng)目在技術(shù)進(jìn)步方面可實(shí)現(xiàn)的預(yù)期成果 324.2、項(xiàng)目形成的產(chǎn)業(yè)前景分析 324.3、技術(shù)人才培養(yǎng) 334.4、對(duì)解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的預(yù)期貢獻(xiàn) 334.4.1、技術(shù)指標(biāo) 334.4.2、經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo) 334.4.3、社會(huì)效益指標(biāo) 345、項(xiàng)目實(shí)施方案 355.1、實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)所需的組織管理方式 355.2、項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施步驟 365.3、科技資源綜合利用 365.4、成果產(chǎn)業(yè)化策略 375.5、研發(fā)資金的籌集與投入 375.6、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)策措施 395.6.1、知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)策措施 395.6.2、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)策措施 405.7、項(xiàng)目實(shí)施方案的可行性 405.7.1、項(xiàng)目涵蓋的研究領(lǐng)域 405.7.2、理論依據(jù) 415.7.3、技術(shù)基礎(chǔ) 425.8、風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對(duì)措施 435.8.1、客源流失風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施 435.8.2、市場疲軟與應(yīng)對(duì)措施 435.8.3、價(jià)格波動(dòng)與應(yīng)對(duì)措施 446、項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度 457、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件 467.1、申請(qǐng)單位在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的已有研發(fā)基礎(chǔ) 467.2、申請(qǐng)單位在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的主要研究成果 477.3、項(xiàng)目實(shí)施具備的支撐條件 487.3.1、研發(fā)資金情況 487.3.2、主要科研設(shè)施與儀器情況 487.3.3、計(jì)劃購置的重要儀器設(shè)備 487.4、本項(xiàng)目或與本項(xiàng)目相關(guān)的其它項(xiàng)目申請(qǐng)國家、省、市科技計(jì)劃情況 498、研發(fā)團(tuán)隊(duì) 498.1、研發(fā)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu) 498.2、項(xiàng)目核心研發(fā)人員情況 501、項(xiàng)目實(shí)施的背景意義1.1、項(xiàng)目所面向的我市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技發(fā)展等有效需求虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被用于電子游戲，飛行訓(xùn)練模擬，地理信息系統(tǒng)，環(huán)境模擬等領(lǐng)域，高度浸入感的環(huán)境模擬讓使用者有一種身臨其境的體驗(yàn)。近年來隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用越來越受到科技領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，一些業(yè)界巨頭如google，facebook等也紛紛進(jìn)入這一產(chǎn)業(yè)中來?？梢哉雇痪玫膶?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將獲得更為廣泛的應(yīng)用，并全面的進(jìn)入到我們的日常生活中來。20世紀(jì)后期，高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大大促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用——微創(chuàng)手術(shù)模擬，經(jīng)過10多年的發(fā)展，在歐美國家已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于對(duì)手術(shù)醫(yī)生進(jìn)行教學(xué)和培訓(xùn)。本項(xiàng)目就是致力于計(jì)算機(jī)虛擬微創(chuàng)手術(shù)的核心技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)，并依托申請(qǐng)人在血管內(nèi)介入手術(shù)模擬技術(shù)上多年的研究和積累，將醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中來，完成計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)品化。目前，虛擬手術(shù)技術(shù)在我國的發(fā)展處于起步階段，還沒有國內(nèi)企業(yè)涉足這一領(lǐng)域。尤其在血管內(nèi)介入手術(shù)的模擬上，由于手術(shù)本身的復(fù)雜性和特殊性，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和實(shí)現(xiàn)都有很高的技術(shù)要求，這為國內(nèi)企業(yè)進(jìn)入這一領(lǐng)域設(shè)置了很高的門檻。目前僅有美國、以色列和瑞典等國屈指可數(shù)的公司能夠開發(fā)和實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)介入手術(shù)模擬系統(tǒng)。介入醫(yī)學(xué)工程是20世紀(jì)末醫(yī)學(xué)對(duì)人類文明的重要貢獻(xiàn)之一，介入手術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得原有的手術(shù)教學(xué)與培訓(xùn)體系面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。介入手術(shù)通常高度依賴于功能繁多的手術(shù)器械，對(duì)于復(fù)雜的手術(shù)過程也有細(xì)致的要求。這些是傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬的。歐美國家的經(jīng)驗(yàn)表明，憑借計(jì)算機(jī)虛擬微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)建立的虛擬環(huán)境，作為一種先進(jìn)的培訓(xùn)手段可以為手術(shù)醫(yī)生提供高效的訓(xùn)練。并且，可以對(duì)手術(shù)醫(yī)生的技能掌握情況進(jìn)行量化評(píng)估。虛擬手術(shù)系統(tǒng)的推廣對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)與培訓(xùn)體系具有革命性的影響，極大的緩解落后的傳統(tǒng)醫(yī)療教學(xué)與高速發(fā)展的介入手術(shù)技術(shù)的矛盾。深圳是一個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密集的城市，在全國有著舉足輕重的地位，深圳作為經(jīng)濟(jì)特區(qū)優(yōu)勢顯著。深圳市擁有發(fā)達(dá)的軟件產(chǎn)業(yè)，聚集了大批優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)豐富的軟件工程師。同時(shí)由于毗鄰港澳，深圳獲取外界信息遠(yuǎn)比內(nèi)地其他城市方便。而且本項(xiàng)目的最初也是從香港的高校開始的，地理上的優(yōu)勢為我們的產(chǎn)品的深度研發(fā)提供了進(jìn)一步技術(shù)支持。深圳還擁有領(lǐng)先全國的電子產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)，這些都是我們產(chǎn)品試制過程中所必需的，也是國內(nèi)其他城市無法比擬的。深圳市政府對(duì)于發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的決心，以及與之相應(yīng)的給予高新技術(shù)企業(yè)大力的扶持和服務(wù),極大的鼓舞了創(chuàng)業(yè)者的信心。這對(duì)于我們這樣的科技型小微企業(yè)猶如雪中送炭，大大提高了我們的生存和發(fā)展的能力。作為創(chuàng)業(yè)者和新技術(shù)、新應(yīng)用的倡導(dǎo)者，我們也堅(jiān)信在虛擬微創(chuàng)手術(shù)這一領(lǐng)域的核心技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)產(chǎn)品的推出，會(huì)積極的推動(dòng)我國醫(yī)療教學(xué)和培訓(xùn)體系的改革，并通過我們的不斷努力和在這一領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，使深圳成為這一產(chǎn)業(yè)的龍頭。1.2、項(xiàng)目的先進(jìn)性本項(xiàng)目是集醫(yī)學(xué)圖像分割技術(shù)（MedicalImageSegmentation），虛擬人三維重建技術(shù)（GeometricModeling），計(jì)算機(jī)物理建模技術(shù)（Physically-basedmodeling），X光模擬成像技術(shù)（SimulatedX-rayImaging），以及觸覺渲染技術(shù)（Hapticrendering）等多種計(jì)算機(jī)圖形圖像及虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，真實(shí)的再現(xiàn)了手術(shù)的場景，為使用者提供高度浸入感體驗(yàn)的虛擬手術(shù)環(huán)境。項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要以申請(qǐng)人近年來所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文為理論依據(jù)，包括申請(qǐng)人在香港中文大學(xué)就讀期間發(fā)表的多篇國際會(huì)議和期刊論文。項(xiàng)目基本代表了目前國際上血管介入手術(shù)模擬的發(fā)展水平。目前，在我國手術(shù)模擬技術(shù)和產(chǎn)品處于起步階段，對(duì)于血管介入類手術(shù)模擬訓(xùn)練，尚無可用的商業(yè)產(chǎn)品問世。而在歐美國家已經(jīng)將手術(shù)模擬技術(shù)廣泛的應(yīng)用到手術(shù)的教學(xué)與訓(xùn)練之中。甚至在美國，通過虛擬手術(shù)系統(tǒng)的考核是獲得手術(shù)執(zhí)業(yè)資格的必備環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目不僅可以用于手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練，還能用于手術(shù)技能考核的綜合性虛擬手術(shù)平臺(tái)，我司將是國內(nèi)首家做血管介入類手術(shù)模擬平臺(tái)的廠家。因此，我司進(jìn)行此項(xiàng)目的研發(fā)在國內(nèi)將是領(lǐng)先的。1.3、項(xiàng)目的重要性上世紀(jì)90年代，血管內(nèi)介入技術(shù)引進(jìn)我國，在我國迅速發(fā)展，至2012年僅心血管介入手術(shù)全年完成超過20萬例。但這一數(shù)字僅為美國的1/10，而我國具備血管內(nèi)介入診療資格的醫(yī)生也不足美國的五分之一。2013年我國心腦血管患者約為2500萬人，且每年新增超過100萬?；颊邔?duì)于介入治療的巨大需求，一些操作經(jīng)驗(yàn)不足，手術(shù)指征掌握不嚴(yán)格的醫(yī)生對(duì)病人實(shí)施手術(shù)，結(jié)果醫(yī)療事故頻發(fā)，引發(fā)官司不斷。血管內(nèi)介入手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，過程復(fù)雜，難度大；傳統(tǒng)的教學(xué)手段，導(dǎo)致培訓(xùn)合格手術(shù)醫(yī)生的周期漫長，根本沒法滿足需求。而經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生，由于手術(shù)任務(wù)過于繁重，對(duì)于后備梯隊(duì)的建設(shè)也基本無暇顧及，從手術(shù)教學(xué)到手術(shù)實(shí)踐之間難以銜接。在歐美發(fā)達(dá)國家，虛擬手術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)表明虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以大大提高培訓(xùn)醫(yī)生的效率，縮短培訓(xùn)周期。美國權(quán)威機(jī)構(gòu)Geisinger醫(yī)療中心與多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)聯(lián)合在全美范圍內(nèi)對(duì)虛擬手術(shù)系統(tǒng)在訓(xùn)練醫(yī)生中的有效性進(jìn)行調(diào)查，并將調(diào)查結(jié)果被發(fā)表于2013年10月刊“CatheterizationandCardiovascularInterventions”。調(diào)查表明虛擬手術(shù)系統(tǒng)：（1）有助于受訓(xùn)者確認(rèn)改善領(lǐng)域；（2）有助于受訓(xùn)者提高認(rèn)知和操作能力以及心智技能；（3）對(duì)手術(shù)技巧進(jìn)行客觀評(píng)估；（4）不僅對(duì)于培訓(xùn)新從業(yè)者十分有效，而且有助于確保經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生保持手術(shù)技能。項(xiàng)目的必要性由于傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練手段單一，合格手術(shù)醫(yī)生培訓(xùn)周期漫長，無法滿足日益增長的心腦血管病人的需求，這一情況已成為我國血管內(nèi)介入手術(shù)發(fā)展的瓶頸。而本項(xiàng)目正適應(yīng)這一需求的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)虛擬虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，制定科學(xué)的培訓(xùn)課程。通過嚴(yán)格的訓(xùn)練過程，使學(xué)習(xí)者在臨床和技術(shù)方面能具備優(yōu)秀的認(rèn)知和操作能力以及重要的心智技能。從而推動(dòng)傳統(tǒng)醫(yī)療手術(shù)教學(xué)和訓(xùn)練的革命，極大的緩解落后的傳統(tǒng)醫(yī)療教學(xué)與高速發(fā)展的介入手術(shù)技術(shù)的矛盾，加速介入手術(shù)在我國醫(yī)療體系中的發(fā)展。所以，研發(fā)本項(xiàng)目是非常有必要的。項(xiàng)目在行業(yè)中的地位和作用1.5.1、項(xiàng)目在行業(yè)中的地位本項(xiàng)目主要應(yīng)用于血管內(nèi)介入手術(shù)診療醫(yī)生的教學(xué)和實(shí)踐。2012年開始，根據(jù)衛(wèi)生部要求今后僅有培訓(xùn)合格人員才具有獨(dú)立從事心血管病介入診療的資格，這標(biāo)志著血管內(nèi)介入手術(shù)醫(yī)生的教學(xué)和實(shí)踐即將進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化，體系化的階段。根據(jù)歐美國家經(jīng)驗(yàn)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是手術(shù)教學(xué)，實(shí)踐才是考核體系中的重要一環(huán)。2013年湖南湘雅醫(yī)院利用以色列公司Simbionix的血管內(nèi)介入手術(shù)模擬訓(xùn)練產(chǎn)品ANGIOMentor對(duì)兩組從未接觸過介入手術(shù)的培訓(xùn)學(xué)生培訓(xùn)進(jìn)行對(duì)比測試，結(jié)果顯示，在經(jīng)過手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)培訓(xùn)以后，學(xué)生對(duì)于手術(shù)的認(rèn)知以及手術(shù)過程中問題的解決能力有30%以上的提升。同年7月，RSCA(TheRegistryofCardiovascularSpecialistsandAssistants)采用Simbionix公司的ANGIOMentor模擬器，為他們的認(rèn)證服務(wù)提供醫(yī)療解決方案，包括心血管醫(yī)學(xué)專家、血管醫(yī)學(xué)專家、心血管助理和醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)人士等。TheRegistryofCardiovascularSpecialistsandAssistants(RCSA?)是一家非營利權(quán)威機(jī)構(gòu)，為心血管專業(yè)人士開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的認(rèn)證課程。本項(xiàng)目是在國際先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的國產(chǎn)化改進(jìn)和集成創(chuàng)新，目前技術(shù)地位屬于國內(nèi)領(lǐng)先。現(xiàn)階段，我們將致力于填補(bǔ)國內(nèi)市場的空白，以各大醫(yī)學(xué)院，三級(jí)以上醫(yī)院，專業(yè)的培訓(xùn)結(jié)構(gòu)為主要市場目標(biāo)，所以帶來較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.5.2、項(xiàng)目在行業(yè)中的作用由于介入手術(shù)的特殊性，通常在學(xué)習(xí)過程中不可能直接用病人作為練習(xí)對(duì)象，而只能利用動(dòng)物或尸體進(jìn)行練習(xí)，不但成本很高，而且難以得到足夠的病材來源。此外，由于練習(xí)環(huán)境與實(shí)際手術(shù)環(huán)境有較大差別，也難以得到理想的學(xué)習(xí)效果。由于病材有限和手術(shù)安全性等方面的原因，低年資醫(yī)師和中小醫(yī)院的醫(yī)師往往得不到足夠多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，因而手術(shù)水平也難以得到提高。而對(duì)于大醫(yī)院來說，培養(yǎng)一個(gè)成熟的介入手術(shù)主刀醫(yī)師也往往需要數(shù)年的時(shí)間。而對(duì)醫(yī)學(xué)界來說，在低風(fēng)險(xiǎn)或無風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中對(duì)學(xué)生進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)非常重要。因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去進(jìn)行培訓(xùn)很明顯有著巨大的作用。本項(xiàng)目可以用來使醫(yī)生逐步適應(yīng)新型手術(shù)的具體流程，了解新手在手術(shù)進(jìn)行中可能遇到的實(shí)際操作問題。其作用主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）本項(xiàng)目可以迅速高效的提高學(xué)習(xí)者的手術(shù)及其他操作技能，節(jié)約培訓(xùn)醫(yī)生的費(fèi)用和時(shí)間。它可以使醫(yī)生沉浸于虛擬的場景內(nèi)，體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付各種臨床手術(shù)的實(shí)際情況，可以通過視、聽、觸覺感知并學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作。醫(yī)生經(jīng)過多次的手術(shù)模擬訓(xùn)練，并利用專家學(xué)者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力進(jìn)行練習(xí)，可以提高自身的操作水平。（2）本項(xiàng)目可以對(duì)訓(xùn)練者的手術(shù)能力做出評(píng)價(jià)。根據(jù)完成手術(shù)所用的時(shí)間以及器械移動(dòng)的平滑程度和效率，來判斷實(shí)習(xí)生何時(shí)具有臨床手術(shù)實(shí)踐的能力。（3）本項(xiàng)目可以改進(jìn)醫(yī)生手術(shù)前的計(jì)劃過程。這個(gè)技術(shù)可以把各種診斷傳感器搜集到的信息集成到手術(shù)模型中，以方便醫(yī)生做計(jì)劃。醫(yī)生可以在虛擬環(huán)境中觀察、分析和預(yù)測手術(shù)方案的后果、模擬手術(shù)的實(shí)施過程。1.6、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益1.6.1、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益據(jù)心腦血管手術(shù)市場研究報(bào)告顯示，我國目前擁有三級(jí)以上醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院超過1600家，因此我們估計(jì)該系統(tǒng)的市場總?cè)萘砍^2000臺(tái),以每臺(tái)基礎(chǔ)價(jià)格50萬元計(jì)，市場總價(jià)值超過10個(gè)億。另據(jù)統(tǒng)計(jì)2014年我國心腦血管介入手術(shù)實(shí)施超過60萬例，而且這一數(shù)據(jù)也處于逐年增長的狀態(tài)。預(yù)期，本項(xiàng)目在后續(xù)為心血管介入手術(shù)提供醫(yī)學(xué)影像處理這一服務(wù)市場每年有超過2億元以上的市場容量，并且以超過15%的速度逐年增長。因此，本項(xiàng)目未來市場前景廣闊，將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。1.6.2、項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的社會(huì)效益我國先天性心臟病(先心病)的外科治療始于本世紀(jì)40年代，基本上與西方國家同步，50年代發(fā)展十分迅速，特別是心導(dǎo)管檢查技術(shù)及體外循環(huán)技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。60與70年代發(fā)展較為緩慢，自90年代又有了突飛猛進(jìn)的變化。自90年代起，血管內(nèi)介入新技術(shù)引進(jìn)我國，在我國迅速發(fā)展，不斷普及、規(guī)范和提高。截止2012年僅心血管介入手術(shù)全年完成超過20萬例，但這一數(shù)字僅為美國的1/10，而我國具備血管內(nèi)介入診療資格的醫(yī)生不足美國的五分之一。2013年我國心腦血管患者約為2500萬人，且每年新增超過100萬，介入治療手術(shù)醫(yī)生的需求巨大。目前，介入醫(yī)學(xué)在我國蓬勃發(fā)展，介入醫(yī)學(xué)隊(duì)伍已經(jīng)形成并還在逐步擴(kuò)大，但由于是新的領(lǐng)域，成果多、存在問題也多，而在人才培養(yǎng)、知識(shí)結(jié)構(gòu)等方面存在的問題已經(jīng)或正在顯現(xiàn)。從長遠(yuǎn)發(fā)展和形勢嚴(yán)峻、緊迫的現(xiàn)狀看，培養(yǎng)專業(yè)的介入治療手術(shù)醫(yī)生已是迫在眉捷。本項(xiàng)目可以很好地緩解這一囧況。通過真實(shí)再現(xiàn)了手術(shù)的場景，讓受訓(xùn)者在具有高度浸入感體驗(yàn)的虛擬手術(shù)環(huán)境下反復(fù)練習(xí)，掌握流程，磨練技巧，大大縮短了培訓(xùn)合格血管內(nèi)介入手術(shù)醫(yī)生的周期，不但可以節(jié)約成本和時(shí)間，而且也可以降低非熟練人員進(jìn)行實(shí)習(xí)手術(shù)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高我國的醫(yī)學(xué)教育水平和整體醫(yī)療水平具有重要的社會(huì)效益。2、技術(shù)發(fā)展趨勢及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2.1、項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展歷史，在某些領(lǐng)域已有了成熟的應(yīng)用，例如飛行員的模擬訓(xùn)練，城市規(guī)劃，室內(nèi)設(shè)計(jì)等。隨著計(jì)算機(jī)硬件，軟件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在日益完善，并不斷地被應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)上，手術(shù)模擬也逐漸成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一個(gè)重要的研究方向。目前對(duì)于手術(shù)模擬技術(shù)的研究主要有三個(gè)大方向：對(duì)于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理，基于虛擬人的手術(shù)過程模擬，多感知的人機(jī)交互界面。（1）對(duì)于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理：醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，大量的研究集中于醫(yī)學(xué)圖像的分割。圖像分割技術(shù)的發(fā)展，使得依據(jù)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立包括人體各器官組織及血管網(wǎng)的虛擬人數(shù)據(jù)庫成為現(xiàn)實(shí)。就國際上目前的最前沿的研究成果來看，完全自動(dòng)分割，由于技術(shù)難度過大，尚無法實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^自動(dòng)分割后手動(dòng)調(diào)整的方式加以解決。目前通過去噪和多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，以及引入機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)提高分割的準(zhǔn)確率和自動(dòng)化程度，是圖像分割研究的重要方向。（2）基于虛擬人的手術(shù)過程模擬虛擬人是指，通過數(shù)字技術(shù)模擬真實(shí)的人體器官而合成的三維模型。虛擬人的建模主要包括兩個(gè)過程，幾何建模和物理建模?！駧缀谓?MarchingCube方法廣泛用于提取三位體數(shù)據(jù)表面的方法，不同改進(jìn)的MarchingCube方法被開發(fā)出來生成相對(duì)平滑，噪聲較少的表面。由于Marchingcube方法生成表面通常不能滿足手術(shù)模擬的需要，各種基于高斯濾鏡的迭代算法被廣泛的用于表面的平滑處理。而如何在保持器官形狀特征的前提下，盡量的平滑表面也是一個(gè)重要的研究方向?！裎锢斫?主要以三類模型為基礎(chǔ)：質(zhì)量彈簧模型，有限元模型和能量模型。質(zhì)量彈簧模型具有易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)計(jì)算性能要求不高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是模型精確度不高，結(jié)合人體組織力學(xué)特性參數(shù)困難。常被用于對(duì)精度要求不高，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的場景下，例如基于力反饋的觸覺在線模擬。有限元方法是一種計(jì)算數(shù)學(xué)方法，用于求偏微分方程的數(shù)字解，并廣泛的用于工程受力分析；具有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，求解精度高，模型中的參數(shù)物理意義明確。但是，計(jì)算復(fù)雜度高，完成求解的計(jì)算量巨大，導(dǎo)致有限元方法在實(shí)時(shí)形變模擬的應(yīng)用上受到一定的限制。能量模型以勢能最小化原理為基礎(chǔ)，對(duì)模擬系統(tǒng)建立能量函數(shù)，通過優(yōu)化方法最小化能量函數(shù)求解。●手術(shù)過程的模擬中還涉及到碰撞檢測（CollisionDetection），穩(wěn)定性分析等很多問題，通常手術(shù)過程的模擬沒有標(biāo)準(zhǔn)化的方法，要結(jié)合所要模擬的對(duì)象，根據(jù)它的物理特性，研究開發(fā)出相應(yīng)的模擬方法。提高模擬的準(zhǔn)確性，算法的魯棒性，以及保證模擬的實(shí)時(shí)交互，是手術(shù)模擬的目標(biāo)。（3）多感知的人機(jī)交互界面：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與硬件的發(fā)展密不可分，對(duì)于模擬手術(shù)系統(tǒng)來說，實(shí)時(shí)模擬醫(yī)學(xué)影像的視覺反饋和操縱手術(shù)器械時(shí)的力反饋是模擬手術(shù)環(huán)境的逼真度的重要影響因素。而且，通過硬件設(shè)備去捕捉操作者的操作過程和軌跡是進(jìn)行人機(jī)交互的基礎(chǔ)。除了一些通用的力反饋設(shè)備，例如SensAbletechnologies的PHANTOMOmni等（下圖所示），通常來說，對(duì)于一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，需要研究，設(shè)計(jì)和開發(fā)專用的硬件設(shè)備。2.2、項(xiàng)目的國內(nèi)外研究開發(fā)狀況我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究尚處于起步階段，只有為數(shù)不多的機(jī)構(gòu)在進(jìn)行如遠(yuǎn)程醫(yī)療、器官3D顯示、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)等方面的初步技術(shù)研究。由于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常昂貴，近年來，國內(nèi)大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進(jìn)展或理論探討的范圍內(nèi)。目前與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用主要包括：放射治療模擬定位、虛擬手術(shù)等領(lǐng)域。其中模擬手術(shù)訓(xùn)練是一種技術(shù)難度較大的應(yīng)用。國內(nèi)僅見報(bào)道清華大學(xué)、解放軍軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院進(jìn)行了應(yīng)用于教學(xué)和訓(xùn)練的虛擬手術(shù)方面的探索和研究。因此，大力發(fā)展在醫(yī)學(xué)中具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)是大勢所趨。世界上發(fā)達(dá)國家都對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的醫(yī)用給予了高度的重視，國外在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面研究處于領(lǐng)先地位。美國的MillersvilleUniversity開發(fā)出一套具有觸覺的仿真系統(tǒng)，操作者可使用系統(tǒng)進(jìn)行虛擬腹腔鏡訓(xùn)練：如切割和創(chuàng)傷縫合等操作。美國波士頓動(dòng)力學(xué)研究中心（BostonDynamics）研制的虛擬手術(shù)系統(tǒng)能產(chǎn)生十分逼真的血管、心臟、大腦等的三維圖像。加利福尼亞的舊金山大學(xué)外科系與伯克利學(xué)院的電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系對(duì)虛擬腹腔手術(shù)的研究。日本Nagoya大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系微型系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室從事3D醫(yī)學(xué)圖像處理以及虛擬內(nèi)窺鏡方面的研究等。2.3、項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化狀況分析虛擬手術(shù)技術(shù)由于其低風(fēng)險(xiǎn)，低成本，可重復(fù)使用，應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)逐漸替代了傳統(tǒng)的教學(xué)和訓(xùn)練手段。尤其在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，虛擬手術(shù)技術(shù)提供了一種嶄新的意義深遠(yuǎn)的手術(shù)訓(xùn)練方式。在國外，基于虛擬手術(shù)系統(tǒng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為合格醫(yī)生培養(yǎng)過程中必備的組成部分。國際市場上也有相對(duì)成熟的產(chǎn)品，例如Simbionix的ANGIOMentor，和Mentice的VIST這兩個(gè)產(chǎn)品。這兩款產(chǎn)品可以模擬多種手術(shù)案例，能給使用這帶來很好地浸入感體驗(yàn)，基本代表了目前血管介入手術(shù)模擬的最高水平。但是他們的產(chǎn)品過于昂貴，不僅在中國，即使在美國，大部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)也無力購買，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的市場需求。本項(xiàng)目以申請(qǐng)人在香港多年研究的成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合我司在技術(shù)方面的創(chuàng)新，基本上代表了現(xiàn)有成熟技術(shù)的最高水平。通過精心的產(chǎn)品設(shè)計(jì),以及我司采用產(chǎn)品設(shè)計(jì)把控，生產(chǎn)外包的模式，在短期間就可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，并能完全滿足我們對(duì)市場快速推廣的產(chǎn)能要求。本項(xiàng)目產(chǎn)品包含多個(gè)模塊，都可以完全獨(dú)立，既可以是一個(gè)系列化的獨(dú)立產(chǎn)品，根據(jù)相關(guān)客戶的需求獨(dú)立銷售，也可以把模塊組合起來，成為一個(gè)完整的產(chǎn)品組合，實(shí)現(xiàn)多種功能。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的過程中，我們將通過相關(guān)協(xié)會(huì)組織，努力推進(jìn)該類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)建立，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品市場化的同時(shí)，完成標(biāo)準(zhǔn)的建立，并將努力成為標(biāo)準(zhǔn)的建立者和實(shí)現(xiàn)者，從而在行業(yè)當(dāng)中建立自己的地位。2.4、我市相關(guān)行業(yè)與國內(nèi)外先進(jìn)水平的差距國內(nèi)介入手術(shù)訓(xùn)練還處于初級(jí)階段，主要以醫(yī)療視頻會(huì)議系統(tǒng)，仿真器具或者動(dòng)物活體作為教學(xué)和訓(xùn)練手段。尚無國產(chǎn)的血管內(nèi)介入手術(shù)模擬手術(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)品在市場上銷售。以色列公司的AngioMentor產(chǎn)品和瑞典的VLST為代表的國外虛擬手術(shù)系統(tǒng)通過代理公司在國內(nèi)銷售。與歐美國家相比，我國的醫(yī)療訓(xùn)練和考核機(jī)制還不盡完善。尤其是像血管內(nèi)介入手術(shù)這種高度復(fù)雜，難度大的手術(shù)，還沒有建立起系統(tǒng)化的訓(xùn)練和考核手段。而歐美國家以虛擬手術(shù)系統(tǒng)為核心，建立起綜合性的模擬手術(shù)培訓(xùn)和考核中心，通過由權(quán)威機(jī)構(gòu)（如美國的RSCA（TheRegistryofCardiovascularSpecialistsandAssistants）），開發(fā)和制定標(biāo)準(zhǔn)化的認(rèn)證課程，通過要求嚴(yán)格的培訓(xùn)過程，使學(xué)習(xí)者在臨床和技術(shù)方面能具備優(yōu)秀的認(rèn)知和操作能力以及重要的心智技能。并通過專業(yè)化的考核，量化受訓(xùn)者對(duì)于手術(shù)技能的掌握程度。從而形成一條循序漸進(jìn)的培養(yǎng)過程。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)系統(tǒng)為核心的新型手術(shù)教學(xué)，訓(xùn)練和考核系統(tǒng)將全面取代傳統(tǒng)的教學(xué)和訓(xùn)練方式。深圳作為一個(gè)充滿著改革和創(chuàng)新意識(shí)的城市，理應(yīng)這一過程中擔(dān)當(dāng)重要的角色。2.5、市場需求情況2.5.1、深圳市需求由于我司的產(chǎn)品在國內(nèi)還沒有自主實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，僅有從國外進(jìn)口的少量產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上，在深圳市場還沒有使用。但是為了滿足相關(guān)醫(yī)院培訓(xùn)的需要，還是采用相對(duì)比較傳統(tǒng)的方式，為了適應(yīng)需要，在2010年深圳第二人民醫(yī)院建立了手術(shù)室遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)。在深圳，現(xiàn)有的三甲醫(yī)院包括北京大學(xué)深圳醫(yī)院、深圳市人民醫(yī)院，深圳市第二人民醫(yī)院，深圳中醫(yī)院，深圳寶安人民醫(yī)院，深圳南山人民醫(yī)院，深圳龍崗人民醫(yī)院、深圳香港大學(xué)醫(yī)院以及深圳市婦幼保健院，還有部分開展了介入手術(shù)的民營醫(yī)院，都將是我們的第一批重點(diǎn)客戶，我們也會(huì)選擇合適的醫(yī)院作為我們的合作單位，成為我們的免費(fèi)試用合作單位，成為我們產(chǎn)品的窗口?；谖覀儺a(chǎn)品的先進(jìn)性和獨(dú)創(chuàng)性，以及國內(nèi)第一家廠家，我們預(yù)計(jì)我們在深圳的市場占有率可以達(dá)到80%以上，同時(shí)我們也會(huì)積極拓展出口業(yè)務(wù)，首先的目標(biāo)是東南亞市場，包括泰國，越南，印尼，新加坡等市場。我們會(huì)積極跟隨市場的需求，把我們的產(chǎn)品進(jìn)行市場化，受益更多人。2.5.2、國家需求根據(jù)衛(wèi)生部公布的數(shù)據(jù)（下表所示），我國共有三級(jí)以上醫(yī)院1300多家，在三級(jí)醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，他們都有開展介入手術(shù)的需要。2013年中國冠心病患者約為2500萬人，且每年新增超過100萬。我國僅冠狀動(dòng)脈介入治療（PCI）手術(shù)從2002年約2.5萬例增長至2013年的48.8萬例，增長近20倍。為了能夠加快介入手術(shù)醫(yī)生的培養(yǎng)，部分有資金實(shí)力的醫(yī)院開始引進(jìn)了“手術(shù)視頻示教應(yīng)用系統(tǒng)”。對(duì)于醫(yī)院來說，這套設(shè)備需要的投入大約50萬到70萬之間，同時(shí)還需要配備專用的培訓(xùn)會(huì)議室。利用模擬設(shè)備來訓(xùn)練合格介入醫(yī)生，雖然也已經(jīng)有引入國內(nèi)的設(shè)備，但設(shè)備尤為昂貴，而且與國內(nèi)的需求存在一定的差異，所以沒有能夠在國內(nèi)推廣，現(xiàn)在這方面國內(nèi)市場基本還處于空白。我們項(xiàng)目的手術(shù)模擬設(shè)備正是看中了國內(nèi)市場在培養(yǎng)合格介入醫(yī)生的迫切需要，以及實(shí)際市場中存在的空缺，發(fā)現(xiàn)其中存在的市場機(jī)會(huì)。針對(duì)市場容量方面，基于我們前面針對(duì)介入手術(shù)需求的分析，國內(nèi)在合格介入手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)方面就有超過50億人民幣以上的市場規(guī)模，而在數(shù)據(jù)服務(wù)方面，根據(jù)現(xiàn)有的介入手術(shù)量計(jì)算，每年產(chǎn)生出來的服務(wù)費(fèi)用超過10億，并且還處于高速增長期。3、項(xiàng)目主要研究內(nèi)容3.1、項(xiàng)目涉及的技術(shù)領(lǐng)域本項(xiàng)目涉及的技術(shù)領(lǐng)域是生命健康領(lǐng)域。3.2、擬解決的關(guān)鍵技術(shù)3.2.1、以人體醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立虛擬手術(shù)病例及時(shí)的根據(jù)病人診斷過程中采集的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立虛擬手術(shù)病例，是實(shí)現(xiàn)手術(shù)前模擬和計(jì)劃的關(guān)鍵，涉及到圖像處理，3D建模等技術(shù)。其中主要的研究內(nèi)容包括：（1）圖像去噪（Denoising）由于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和環(huán)境的干擾，通常醫(yī)學(xué)圖像中存在著較多的噪聲，圖像的噪聲直接影響到后續(xù)圖像處理的質(zhì)量。然而噪聲的某些特性和圖像中的邊界信息十分相似，所以如果在保留邊界的情況下，很好地去除噪聲是研究的重要內(nèi)容。所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)是我們提出的一種基于L0范數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的保邊去噪方法，我們通過這種方法把圖像分割的精度提高到90%以上。（2）圖像分割（Segmentation）我們的項(xiàng)目中目前使用了改進(jìn)的Levelset方法對(duì)圖像進(jìn)行分割，因?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像獲取機(jī)理以及人體姿態(tài)，環(huán)境等復(fù)雜因素，導(dǎo)致在圖像上，某些區(qū)域不可分或者邊界模糊，很難分割。因此我們計(jì)劃研發(fā)出一套基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的圖像分割技術(shù)。在擁有大量人體醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，我們設(shè)計(jì)一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)（Deeplearning）方法，對(duì)圖像中的人體某一器官進(jìn)行識(shí)別。由于機(jī)器識(shí)別率不能達(dá)到100%，我們會(huì)對(duì)機(jī)器標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工篩選，從而去除識(shí)別錯(cuò)誤的結(jié)果。把正確的結(jié)果反饋給系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力。通過不斷的迭代和進(jìn)化過程，提升系統(tǒng)的認(rèn)知能力，使機(jī)器分割的能力不斷增強(qiáng)，基本實(shí)現(xiàn)CT和核磁共振圖像的全自動(dòng)的圖像分割。（3）多模態(tài)圖像數(shù)據(jù)融合（Fusion）因?yàn)镃T，核磁共振和超聲的發(fā)射源和成像機(jī)理不同，不同醫(yī)學(xué)影像中人體組織的反射效果也不盡相同，在一種圖像中不可分的組織，在其他的圖像中卻可以清晰地區(qū)分。利用這一特點(diǎn)，通過對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合，提高醫(yī)學(xué)影像信息的完整性。我們計(jì)劃研發(fā)一種結(jié)合有限元技術(shù)的非剛體配準(zhǔn)的方法對(duì)不同的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，再對(duì)配準(zhǔn)以后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。（4）人體組織器官與血管網(wǎng)的幾何建模對(duì)于人體的幾何建模，我們主要研究兩類方法：一種是根據(jù)圖像分割后所得到的體數(shù)據(jù)（Volumedata），通過提取體數(shù)據(jù)的表面信息，從而獲得人體的三維模型。這種方法生成的模型通常不夠光滑，為了獲得高質(zhì)量的模型表面，需要進(jìn)行表面去噪處理。另一種是對(duì)于結(jié)構(gòu)性比較強(qiáng)的目標(biāo)物體，例如人體血管網(wǎng)，通過事先提取的血管網(wǎng)中心線，以及相應(yīng)的半徑信息，生成血管網(wǎng)的三維模型。這部分所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：A、能保留模型局部特征的加權(quán)濾鏡去噪技術(shù)；B、血管網(wǎng)中心線自動(dòng)提取技術(shù)；C、基于平行傳輸局部坐標(biāo)系（paralleltransportframe）的血管表面生成技術(shù)。3.2.2、手術(shù)過程的互動(dòng)式模擬這部分的研究內(nèi)容主要是根據(jù)物理定理和物理方程對(duì)不同類型的目標(biāo)物體（如彈性桿，塊狀物體，流體等）進(jìn)行離散化處理，建立物理模型，并為物理模型構(gòu)建出適合計(jì)算機(jī)的數(shù)字求解方法。一般的物理定理及方程都及其復(fù)雜，在建模的過程中如何進(jìn)行簡化，同時(shí)保證模型對(duì)真實(shí)物體的模擬精確度是個(gè)十分重要的研究內(nèi)容。對(duì)于一些計(jì)算資源要求極高的算法，需要通過并進(jìn)行計(jì)算的技術(shù)加以加速。這部分所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：A、基于基爾霍夫彈性桿理論的多網(wǎng)格的快速導(dǎo)管模擬技術(shù)；B、GPU加速的共轉(zhuǎn)線性有限元技術(shù)；C、基于Navier-stokes方程的血管造影術(shù)模擬技術(shù)。3.2.3、人機(jī)交互虛擬環(huán)境的建立人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要研究內(nèi)容。對(duì)于我們的研究，一方面是以計(jì)算機(jī)圖形渲染技術(shù)，將由虛擬人和手術(shù)器械等組成的虛擬手術(shù)環(huán)境以X光透視視圖或者三維解剖結(jié)構(gòu)視圖的形式顯示出來。另一方面是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能夠捕捉操作者操作軌跡的設(shè)備和能夠?qū)⒃谔摂M環(huán)境中應(yīng)該受到的力反饋給操作者的觸覺再現(xiàn)設(shè)備。這部分所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：A、以病人CT數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成X光透視影像的技術(shù)。B、使用一種精巧的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)捕捉操作者在操作導(dǎo)管導(dǎo)線時(shí)的縱向和軸向兩種運(yùn)動(dòng)。3.3、擬采用的技術(shù)原理3.3.1、醫(yī)學(xué)圖像處理（MedicalImageProcessing）圖像處理是對(duì)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用的基礎(chǔ)，是國際上一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域。隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，圖像處理在醫(yī)學(xué)研究與臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛。在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理的應(yīng)用中，主要是集中在圖像去噪(ImageDenoising)，圖像分割(ImageSegmentation)和圖像配準(zhǔn)(ImageRegistration)等三個(gè)方面。（1）圖像去噪在采集醫(yī)學(xué)數(shù)字影像時(shí)，通常會(huì)受到成像設(shè)備和外部環(huán)境噪聲干擾，為了減少圖像噪聲對(duì)后續(xù)處理的影響，圖像去噪是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。（2）圖像配準(zhǔn)在不同成像設(shè)備下，人體不同組織的反射特性是不同的；通過對(duì)獲取的兩幅或者多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加，從而獲取更加完整準(zhǔn)確的人體組織器官信息。（3）圖像分割圖像分割就是把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域并提出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像分割的目的是簡化或者改變圖像的表示形式，使得圖像更容易理解和分析。對(duì)于圖像分割問題沒有統(tǒng)一的解決方法，這一技術(shù)通常要與相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)合起來，這樣才能更有效的解決該領(lǐng)域中的圖像分割問題。通過對(duì)病人進(jìn)行診斷過程中所獲得的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)（例如CT，核磁共振等）進(jìn)行處理，分割出精確的人體器官和組織，從而建立起數(shù)字虛擬人的數(shù)據(jù)庫。3.3.2、計(jì)算機(jī)幾何和物理建模（GeometricandPhysically-basedModeling）（1）計(jì)算機(jī)幾何建模它是一種通過計(jì)算機(jī)表示,控制,分析和輸出幾何實(shí)體的技術(shù)。以幾何信息和拓?fù)湫畔⒎从辰Y(jié)構(gòu)體的形狀、位置、表現(xiàn)形式等數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行建模就稱為幾何建模。幾何信息即指在歐氏空間中的形狀、位置和大小，最基本的幾何元素是點(diǎn)、直線、面。拓?fù)湫畔⑹侵竿負(fù)湓兀旤c(diǎn)、邊棱線和表面）的數(shù)量及其相互間的連接關(guān)系。在我們的實(shí)際應(yīng)用中，用于表征幾何模型表面的基本單元是三角形，用于表征幾何模型內(nèi)部空間的基本單元是四面體。以幾何模型為基礎(chǔ)，憑借計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的渲染（Rendering），就可以將虛擬的物體顯示在三維空間中。（2）計(jì)算機(jī)物理建模物理建模是指通過數(shù)學(xué)方法（如偏微分方程）和物理方法（受力分析，能量守恒）對(duì)目標(biāo)物體的機(jī)械力學(xué)（Mechanics）、流體力學(xué)（Hydromechanics）和熱力學(xué)（Thermodynamics）等特性加以描述，建立虛擬的物體。并通過計(jì)算機(jī)算法對(duì)模型加以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體之間，以及目標(biāo)物體與外界環(huán)境的交互。3.3.3、人機(jī)交互接口(VisualizationandHapticRendering)人機(jī)交互接口是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重要的組成部分，模擬系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口與使用者進(jìn)行交互，并取視覺和觸覺反饋。（1）視覺反饋(Visualization)包括模擬醫(yī)學(xué)影像的生成和三維虛擬人的交互式導(dǎo)航。根據(jù)醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的成像機(jī)理，使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的手段模擬真實(shí)的成像過程，從而生成基于數(shù)字虛擬人數(shù)據(jù)的模擬醫(yī)學(xué)影像。三維虛擬人的交互式導(dǎo)航是一種全新的認(rèn)知人體解剖結(jié)構(gòu)的方法，使用者通過對(duì)計(jì)算機(jī)外圍控制設(shè)備的操作，對(duì)經(jīng)過三維重建的虛擬人進(jìn)行任意角度，深度和模式的觀察。（2）觸覺反饋（也叫觸覺再現(xiàn)HapticRenderting）是指在特殊設(shè)計(jì)的硬件為載體，將手術(shù)中醫(yī)生操作手術(shù)器械所感受到的反作用力反饋給操作者，并將操作者對(duì)手術(shù)器械的操作軌跡輸入給計(jì)算機(jī)。3.4、擬采用的技術(shù)方法3.4.1、主要技術(shù)、CT和核磁共振圖像分割技術(shù)圖像分割是將醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用于手術(shù)模擬的基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生可以準(zhǔn)確的在醫(yī)學(xué)圖像上手動(dòng)的分割出人體不同的組織器官。然而CT，核磁共振的圖像數(shù)量巨大，每張圖像中不同的組織器官類型眾多，因此不可能完全通過手動(dòng)的方法完成分割。而利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行圖像分割則可以大大提高了分割的效率和速度。然而，由于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和環(huán)境的干擾，通常醫(yī)學(xué)圖像中存在著較多的噪聲，這對(duì)分割的精度有很大的影響。因此，我們研發(fā)出對(duì)圖像中的非結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行平滑（Smoothing）處理并盡可能保留邊界信息的技術(shù)，去除了醫(yī)學(xué)圖像中的高頻噪聲，并銳化了圖像中主要的邊界。然后再使用LevelSet方法對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分割。下面左圖顯示了一副腦部核磁共振的原始圖像，右圖則是進(jìn)行分割以后的結(jié)果。以經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生手動(dòng)的分割結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，把我們的方法自動(dòng)分割的結(jié)果與之進(jìn)行比較，精確度達(dá)到90%以上。、基于CT和核磁共振圖像的虛擬人三維重建技術(shù)將CT或核磁共振圖像數(shù)據(jù)集經(jīng)過分割以后，建立起人體各種組織器官的體數(shù)據(jù)庫。我們使用了MarchingCube的方法提取人體器官，骨骼，血管以及神經(jīng)的表面，并使用加權(quán)高斯濾鏡對(duì)提取的表面進(jìn)行平滑處理，獲得高質(zhì)量的人體各種器官組織的三維表面數(shù)據(jù)。、人體組織器官和手術(shù)器械的物理建模和形變和交互模擬通過多年的研究，我們掌握了使用基于物理（Physically-based）的建模方法對(duì)人體組織器官、手術(shù)器械（如導(dǎo)管，支架，球囊等）以及他們之間的相互作用進(jìn)行建模。我們主要使用如下兩種方法：（1）對(duì)物體在形變過程中產(chǎn)生的彈性勢能和動(dòng)能進(jìn)行分析，將物體離散化，用數(shù)學(xué)公式描述物體的離散能量方程與形變的關(guān)系。通過對(duì)能量方程的求解，獲得物體的形變和運(yùn)動(dòng)軌跡。和受力分析。再求解出物體的受力情況以后，結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算出物體的受力形變。（2）根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)（ContinuumMechanics)對(duì)物體進(jìn)行受力分析，對(duì)物體進(jìn)行離散化，并使用有限元方法（Finiteelementmethod）建立離散單元受力和形變之間的關(guān)系，再配合動(dòng)力學(xué)方程，求解物體在受到外力作用下的形變和運(yùn)動(dòng)軌跡。下圖是我們使用能量分析的方法模擬血管瘤栓塞術(shù)過程的截圖：在交互式模擬中，碰撞檢測技術(shù)是非常重要的技術(shù)，而且往往需要消耗大量的計(jì)算資源。我們根據(jù)導(dǎo)線和血管網(wǎng)的特征，提出并開發(fā)了一種對(duì)導(dǎo)線和血管壁進(jìn)行碰撞檢測的快速算法。以血管網(wǎng)中心線建立索引，并以血管橫截面劃分空間，對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，大大縮小了進(jìn)行碰撞檢測是需要搜索的空間，從而提高檢測的效率。、X光成像模擬技術(shù)在血管內(nèi)介入手術(shù)的過程中，醫(yī)生只能在X光影像（血管造影術(shù)，數(shù)字減影技術(shù)）的引導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)操作。我們根據(jù)X光成像的原理，以采集到的人體CT影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合Opengl中的3D紋理技術(shù)和GPUshader技術(shù)模擬了X光影像和血管造影術(shù)。下圖是我們模擬血管造影過程的截圖：、硬件虛擬人、人機(jī)交互、及觸覺渲染（力反饋）技術(shù)我司自行設(shè)計(jì)了硬件虛擬人，用于獲得受訓(xùn)者的操作軌跡，并反饋給受訓(xùn)者手術(shù)操作中應(yīng)該感受到的反作用力。我們通過一些精巧的設(shè)計(jì)，以較低的成本，制作出一種裝置；受訓(xùn)者在手術(shù)中操作導(dǎo)管導(dǎo)線的過程中，能夠精確的捕捉前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)動(dòng)等微小的運(yùn)動(dòng)。再將運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行編碼，并作為輸入傳遞給軟件系統(tǒng)。我們還設(shè)計(jì)了能夠產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力的機(jī)械裝置，將軟件系統(tǒng)計(jì)算出的力，通過這一裝置輸出給受訓(xùn)者。3.4.2、性能指標(biāo)、系統(tǒng)的精確性在血管內(nèi)介入手術(shù)中，對(duì)導(dǎo)線導(dǎo)管的操作是手術(shù)的基礎(chǔ)與核心，我們采用的方法高度仿真導(dǎo)管導(dǎo)線的物理特性和行為，并有很好的穩(wěn)定性。我們用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)模擬效果加以驗(yàn)證。用仿真器具與真實(shí)的手術(shù)導(dǎo)管建立了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境——管狀血管（Curvedtube）和分支血管(Branchingtube)，并對(duì)應(yīng)的建立了相同的虛擬環(huán)境。對(duì)真實(shí)和虛擬的導(dǎo)管進(jìn)行相同的操作，并記錄結(jié)果。我們以均方根（rootmeansquare）誤差來度量兩條導(dǎo)線位置和形狀相似性的指標(biāo)，結(jié)果如下表所示（表中數(shù)據(jù)以毫米為單位，一組數(shù)據(jù)中前面是均方根誤差，后面是最大誤差），可見我們總是可以把均方根誤差保持1.5mm以內(nèi)。、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為了保證虛擬手術(shù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互性，我們對(duì)各算法進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)一些對(duì)計(jì)算要求高的算法，利用CUDA技術(shù)進(jìn)行了GPU加速。我們使用IntelDualCore3.2G的CPU，NVIDIAGeForce8800的GPU和4G內(nèi)存的平臺(tái)對(duì)我們的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的測試，能穩(wěn)定的保持在20fps（Framepersecond）以上，滿足了虛擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)互動(dòng)性的要求。、系統(tǒng)的有效性我司對(duì)系統(tǒng)幫助受訓(xùn)者獲得手術(shù)技巧的有效性進(jìn)行了實(shí)證研究。邀請(qǐng)了16個(gè)醫(yī)學(xué)院學(xué)生和4名有血管內(nèi)介入手術(shù)資格的醫(yī)生參與實(shí)驗(yàn)。學(xué)生分成兩組，分別是GroupA和GroupB，醫(yī)生分入GroupC。我們設(shè)計(jì)了一個(gè)使用復(fù)雜形狀導(dǎo)管和導(dǎo)線配合，進(jìn)入升主動(dòng)脈（Ascendingaorta）的任務(wù)。首先，GroupA和GroupC在我們模擬的手術(shù)環(huán)境中，依次按手術(shù)要求完成10次任務(wù)，并記錄所用時(shí)長。從（a）圖顯示的學(xué)習(xí)曲線可以看出，在完成6，7次之后，學(xué)員的表現(xiàn)進(jìn)入了一個(gè)平臺(tái)期，而有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生則始終保持穩(wěn)定的表現(xiàn)。然后，我設(shè)計(jì)一個(gè)相同的任務(wù)，但使用了仿真器具和真實(shí)導(dǎo)管導(dǎo)線。從（b)圖可以看出，在這個(gè)任務(wù)中，經(jīng)過我們的虛擬手術(shù)環(huán)境訓(xùn)練的學(xué)生比沒有經(jīng)過訓(xùn)練的學(xué)生有更好的表現(xiàn)。綜上所述，依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出我們的虛擬系統(tǒng)可以很好地幫助學(xué)員獲得手術(shù)技巧。3.5、擬采用的技術(shù)路線3.5.1、產(chǎn)品總體框架下圖是我們的虛擬手術(shù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架圖，系統(tǒng)由兩大部分組成，分別是中央處理系統(tǒng)和人機(jī)交互接口。中央處理系統(tǒng)由一臺(tái)PC主機(jī)，和若干個(gè)GPU組成。中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)從用戶接口獲取手術(shù)操作者的操作軌跡，并結(jié)合數(shù)字虛擬人，求解系統(tǒng)模型，并將結(jié)果反饋到用戶接口。人機(jī)交互接口由兩臺(tái)顯示器，一組腳踏開關(guān)，一個(gè)C臂機(jī)控制臺(tái)，和一個(gè)我們自主研發(fā)的電子人體模型(硬件虛擬人)組成，兩臺(tái)顯示器中的一臺(tái)用于顯示數(shù)字虛擬病人實(shí)時(shí)的二維X光影像，另一臺(tái)用于顯示三維的數(shù)字虛擬人解剖結(jié)構(gòu)。電子人體模型通過內(nèi)置的傳感器和聯(lián)動(dòng)機(jī)械裝置捕捉手術(shù)過程中手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)軌跡，并傳遞給中央處理系統(tǒng)；另外它還負(fù)責(zé)根據(jù)中央處理系統(tǒng)反饋的數(shù)字力信號(hào)模擬真實(shí)手術(shù)中的受力情況。腳踏開關(guān)用于真實(shí)模擬手術(shù)過程中數(shù)字減影技術(shù)（DSA）的使用。C臂機(jī)控制器用于控制虛擬的C臂機(jī)。3.5.2、手術(shù)模擬系統(tǒng)的技術(shù)原理首先我們采集到病人的CT或者核磁共振圖像，對(duì)獲得的該組圖像進(jìn)行分割，得到相應(yīng)區(qū)域的血管網(wǎng)體數(shù)據(jù)。對(duì)血管網(wǎng)提取中心線，依據(jù)中心線重建血管網(wǎng)的三維模型。以血管網(wǎng)的中心線建立血液流動(dòng)模型，并且對(duì)血管造影術(shù)進(jìn)行模擬。通過血管網(wǎng)的三維幾何模型和導(dǎo)管的幾何模型建立碰撞檢測算法。分別使用基于基爾霍夫彈性桿理論的多網(wǎng)格快速導(dǎo)線模擬方法導(dǎo)管導(dǎo)線進(jìn)行物理建模。通過彈性接觸處理算法，在檢測到碰撞的區(qū)域處理導(dǎo)管導(dǎo)線與血管網(wǎng)的互動(dòng)。將模擬的結(jié)果通過X光透視模擬技術(shù)和3D渲染技術(shù)顯示出來。3.6、項(xiàng)目的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)3.6.1、圖像保邊去噪技術(shù)及在圖像分割中的應(yīng)用水平集（Levelset）方法是被廣泛應(yīng)用到圖像分割中的一種方法，它是一種用于邊界和形狀跟蹤的數(shù)值技術(shù)。水平集方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在笛卡爾網(wǎng)格（Cartesiangrid）上對(duì)演化中的曲線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算而不必對(duì)曲線參數(shù)化。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以方便的追蹤目標(biāo)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變。但是，醫(yī)學(xué)圖像中的噪聲，往往導(dǎo)致經(jīng)過LevelSet分割的圖像不夠精確。為了解決這個(gè)問題，我們在進(jìn)行分割之前先對(duì)圖像進(jìn)行降噪和平滑的處理。我們首先定義圖像的能量函數(shù)，通過使用一種基于圖像梯度最小化原則的方法，來消除噪聲，通過降低在歐幾里得范數(shù)測度下的梯度，起到了平滑圖像的非結(jié)構(gòu)區(qū)域，并銳化圖像中邊界信息的效果。從而在簡單的人機(jī)互動(dòng)下，使用Levelset方法就實(shí)現(xiàn)精確的圖像分割。下圖顯示了原始圖像和對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪平滑處理以后的結(jié)果?？梢钥吹教幚砗蟮膱D像很好的保留的原圖的結(jié)構(gòu)信息，從而可以得到更好的分割結(jié)果。3.6.2、基于血管中心線提取的血管網(wǎng)三維重建技術(shù)我司基于Dijkstra最短路徑算法，提出了一種自動(dòng)提取血管中心線的方法。根據(jù)CT或者核磁共振圖像組成的體數(shù)據(jù)，建立不同權(quán)值有向邊的多個(gè)有向圖，通過在這些有向圖上搜索最短路徑，從而提取出血管網(wǎng)中心線?？紤]到血管中有兩種主要形態(tài)：管狀通路和分支結(jié)構(gòu)，我們基于血管中心線對(duì)血管不同特征部位分別進(jìn)行幾何建模，并將分段的模型粘合起來，最終建立了完整的血管網(wǎng)三維模型。3.6.3、基于多網(wǎng)格技術(shù)的快速導(dǎo)管導(dǎo)線模擬方法在血管介入手術(shù)中，對(duì)于導(dǎo)管和導(dǎo)線的操作是整個(gè)手術(shù)的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的模擬方法大多使用動(dòng)力學(xué)(Dynamic)的方法模擬導(dǎo)管和導(dǎo)線在受力條件下的運(yùn)動(dòng)，由于血管空間狹窄，導(dǎo)線和導(dǎo)管伸入血管的長度又很長。導(dǎo)線和導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)受到血管壁的限制，在做時(shí)間積分時(shí)，如果對(duì)導(dǎo)線的采樣密度不夠大并且時(shí)間片（timestep）不夠小時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，這又會(huì)進(jìn)一步加劇碰撞檢測的計(jì)算量。因此，我們提出了一種半靜態(tài)（Semi-dynamic）的模擬方法。使用的線圈進(jìn)行物理建模，基爾霍夫彈性桿可以通過彎曲彈性勢能（Bendingelasticenergy），扭轉(zhuǎn)彈性勢能（Twistingelasticenergy），和延展彈性勢能（Stretchelasticenergy）來描述。我們對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行離散化，并建立彎曲和扭轉(zhuǎn)能量項(xiàng)?？紤]到導(dǎo)線的幾乎不可拉伸，我們加入了不可延展性的限制（InextensibleConstraint）。再根據(jù)物體平衡狀態(tài)下勢能最小原理，使用優(yōu)化算法，最小化能量函數(shù)。從而對(duì)模型求解，實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)管導(dǎo)線物理特性和行為的模擬。為了加速求解過程，我們提出了基于多網(wǎng)格技術(shù)的快速迭代算法，使優(yōu)化過程能夠更快的收斂，減少求解所需要的迭代次數(shù)，加速求解過程，并且增加了算法的魯棒性和穩(wěn)定性。下圖顯示了我們在采用多網(wǎng)格技術(shù)時(shí)，在不同的的網(wǎng)格深度下，算法收斂的效果。3.6.4、基于GPU加速的快速非線性有限元技術(shù)有限元方法是一種精確的求解物體形變的方法。由于建模難度大，求解復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算性能要求高，使其在對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用受到一定的限制。我們提出了一種嵌入GPU加速技術(shù)的共轉(zhuǎn)線性有限元（CorotationallinearFEM）方法，通過分解有限元單元（Element）剛度矩陣（StiffnessMatrix）的旋轉(zhuǎn)部分（Rotation）和形變部分（Stretch）。用對(duì)剛度矩陣的一系列線性運(yùn)算代替了非線性剛度矩陣，再嵌入GPU的強(qiáng)大并行計(jì)算能力，使得我們采用有限元方法時(shí)，既保證了精確度，又滿足了實(shí)時(shí)性要求。下圖顯示了在特定剛度矩陣的規(guī)模下，我們的算法的時(shí)間表現(xiàn)（Timeperformance）。3.7、項(xiàng)目涉及的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)項(xiàng)目中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，均為深圳市xx科技有限公司自主研發(fā)，具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前已獲得《邁達(dá)思敏虛擬血管造影術(shù)軟件V1.0》和《邁達(dá)思敏血管介入手術(shù)中導(dǎo)管導(dǎo)線軟件V1.0》兩款計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。4、項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)及市場前景4.1、項(xiàng)目在技術(shù)進(jìn)步方面可實(shí)現(xiàn)的預(yù)期成果本項(xiàng)目將復(fù)雜微創(chuàng)手術(shù)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際，研制出我國首個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的血管介入手術(shù)模擬系統(tǒng)，在國內(nèi)屬于開拓性、先進(jìn)性的項(xiàng)目，解決了多項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在血管內(nèi)手術(shù)模擬中的應(yīng)用問題。其中包括：透視影像的模擬技術(shù)的成熟與應(yīng)用數(shù)字減影及血管造影的模擬技術(shù)的成熟與應(yīng)用完成彈性物體實(shí)時(shí)模擬引擎的開發(fā)醫(yī)學(xué)圖像三維分割與幾何建模建立一個(gè)以血管內(nèi)介入手術(shù)計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)為核心的綜合性教學(xué)與實(shí)踐平臺(tái)。通過手術(shù)模擬系統(tǒng)搭建一個(gè)血管內(nèi)介入手術(shù)的虛擬環(huán)境。該環(huán)境包括虛擬的可控X光透視影像和數(shù)字減影輸出，由數(shù)字虛擬人和硬件虛擬人構(gòu)成的手術(shù)對(duì)象，在真實(shí)手術(shù)中使用的各種手術(shù)器械。完成腦血管，心血管，腎血管和肝血管等多個(gè)手術(shù)模塊。模擬系統(tǒng)可以完成包括血管支架植入術(shù)，血管瘤線圈栓塞術(shù)，動(dòng)脈化療栓塞術(shù)在內(nèi)的多種手術(shù)。4.2、項(xiàng)目形成的產(chǎn)業(yè)前景分析根據(jù)我們對(duì)市場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)市場上用于血管內(nèi)介入手術(shù)教學(xué)與實(shí)踐的手段主要分三大類：以仿真器具和動(dòng)物活體為對(duì)象的傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，介入手術(shù)視頻示教應(yīng)用系統(tǒng)。其中，國外的虛擬手術(shù)產(chǎn)品作為一種先進(jìn)的訓(xùn)練手段在國內(nèi)市場也沒有推廣開來，其主要原因是高昂的價(jià)格和使用成本。缺乏立足本地的售后技術(shù)團(tuán)隊(duì)，也讓使用者望而卻步。而我們的產(chǎn)品以不到其1/3的售價(jià)，以及本地化的團(tuán)隊(duì)，將會(huì)極大刺激市場的需求。對(duì)于仿真器具和動(dòng)物活體的訓(xùn)練市場，由于其先天不足，我們的產(chǎn)品將成為其天然的替代品。對(duì)于手術(shù)視頻會(huì)議教學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)品可以協(xié)同工作，相互配合。不僅不會(huì)導(dǎo)致醫(yī)院的現(xiàn)有投資流失，而且可以實(shí)現(xiàn)教訓(xùn)結(jié)合，獲得更優(yōu)秀的實(shí)踐效果?，F(xiàn)階段，我司將致力于填補(bǔ)國內(nèi)市場的空白，以各大醫(yī)學(xué)院，三級(jí)醫(yī)院，專業(yè)的培訓(xùn)結(jié)構(gòu)為主要市場目標(biāo)。而作為培訓(xùn)器材，不涉及醫(yī)療器材的準(zhǔn)入制度，也為我們在國際市場的拓展提供足夠的便利和市場的空間。4.3、技術(shù)人才培養(yǎng)目前，我公司已經(jīng)建立起一個(gè)技術(shù)過硬、經(jīng)驗(yàn)豐富的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)，公司現(xiàn)有員工10人，其中：具有大學(xué)專科以上學(xué)歷的科技人員10人，占企業(yè)職工總數(shù)的100%，研發(fā)人員8人，占企業(yè)職工總數(shù)的80%。另外，還加強(qiáng)研發(fā)機(jī)制創(chuàng)新，與廣東省多所院校展開科研合作，在提高自主創(chuàng)新能力的同時(shí)，也為企業(yè)儲(chǔ)備了多學(xué)科技術(shù)人才，本項(xiàng)目建成后，新培養(yǎng)技術(shù)人員5名以上，將公司的研發(fā)人員隊(duì)伍擴(kuò)大到13人，也會(huì)增加就業(yè)機(jī)會(huì)，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的需要。4.4、對(duì)解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的預(yù)期貢獻(xiàn)4.4.1、技術(shù)指標(biāo)該項(xiàng)目在未來的兩年內(nèi)，我們將完善相關(guān)產(chǎn)品系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)如下功能：a.完成三個(gè)模塊:包括心血管手術(shù)模型，腦血管手術(shù)模型，肝血管手術(shù)模型。b.產(chǎn)品內(nèi)置超過500個(gè)真實(shí)病例數(shù)據(jù)，可以完成真實(shí)病例的實(shí)時(shí)仿真c.對(duì)真實(shí)病例數(shù)據(jù)采集和虛擬化的時(shí)間控制在4小時(shí)以內(nèi)；d.數(shù)據(jù)虛擬化的計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成率達(dá)到75%以上；e.我們將申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)以上，軟件著作權(quán)3項(xiàng)以上。4.4.2、經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)該項(xiàng)目在財(cái)務(wù)預(yù)測中，產(chǎn)品成本估算為50萬元/套，銷售毛利率保持在70%左右，在未來三年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)銷售收入總額2500萬元，可完成納稅總額335萬元，可實(shí)現(xiàn)凈利潤650萬元。未來三年產(chǎn)品成本、銷售收入及利潤估算如下：序號(hào)產(chǎn)品名稱單價(jià)（萬元）2016年2017年2018年數(shù)量（套）銷售額（萬元）數(shù)量（套）銷售額（萬元）數(shù)量（套）銷售額（萬元）1介入手術(shù)培訓(xùn)操作平臺(tái)50525015750301500表4.1未來三年銷售估算項(xiàng)目2016年2017年2018年銷售收入總額(萬元)2507501500減：銷售成本（萬元）60165300銷售利潤（萬元）1905851200毛利率76%78%80%費(fèi)用總額（萬元）80220650利潤總額（萬元）110365550企業(yè)所得稅19.566.477.5凈利潤（萬元）77.7265.55310年上繳增值稅32.399.45204表4.2未來三年利潤估算4.4.3、社會(huì)效益指標(biāo)按照公司的規(guī)劃發(fā)展，公司項(xiàng)目在第二年開始達(dá)到收支平衡，并在第三年開始盈利。在此過程中，我們可以在第一年吸收10個(gè)畢業(yè)生，在第二年可以增加解決15個(gè)人的就業(yè)，在第三年公司就業(yè)人數(shù)大約為50人左右。項(xiàng)目產(chǎn)品進(jìn)入市場后，可以有效地替代現(xiàn)有活體試驗(yàn)的培訓(xùn)模式，達(dá)到重復(fù)無限次使用的效果，節(jié)約現(xiàn)有的動(dòng)物活體和一次性試驗(yàn)器材，從而節(jié)約社會(huì)資源，有效減少能耗以及相關(guān)產(chǎn)生的污染，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。5、項(xiàng)目實(shí)施方案5.1、實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)所需的組織管理方式良好的組織和管理是保證一個(gè)項(xiàng)目研發(fā)和實(shí)施成功的重要保證。根據(jù)團(tuán)隊(duì)核心成員多年的項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我司將研發(fā)團(tuán)隊(duì)分為四個(gè)組：算法組、軟件組，硬件組和測試組。（1）算法組：主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目中涉及到的各種算法的研究和開發(fā)。在算法的研發(fā)方面，我們后續(xù)的工作是以工業(yè)軟件的保準(zhǔn)優(yōu)化現(xiàn)有的算法，增強(qiáng)算法軟件實(shí)現(xiàn)的魯棒性和可移植性。并積極與高校展開學(xué)術(shù)合作，共同完成處于研發(fā)階段的算法。（2）硬件組：主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件部分的研發(fā)，設(shè)計(jì)和集成。我們通過對(duì)之前的硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種傳感器組件，在系統(tǒng)使用真實(shí)手術(shù)用導(dǎo)管和導(dǎo)線時(shí)，能夠準(zhǔn)確捕捉導(dǎo)管導(dǎo)線前進(jìn)，后退以及旋轉(zhuǎn)的信息。另外我們設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)，該裝置由一個(gè)控制電路和若干部步進(jìn)馬達(dá)組成。模擬系統(tǒng)的中央處理單元將模擬的手術(shù)器械（如導(dǎo)管和導(dǎo)線）和虛擬人交互所產(chǎn)生的反饋力以數(shù)字形式輸出給控制電路，控制電路操作馬達(dá)產(chǎn)生相應(yīng)的反饋力。我們使用氣壓傳感器，操作控制臺(tái)，腳踏板等設(shè)備模擬手術(shù)中醫(yī)生操作的相應(yīng)設(shè)備。我司下一步的計(jì)劃是：A、將我們各組件的設(shè)計(jì)方案交由首版工廠實(shí)現(xiàn)，并對(duì)組件進(jìn)行可靠性測試，從而驗(yàn)證我們設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性。B、對(duì)整個(gè)硬件產(chǎn)品進(jìn)行外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將個(gè)組件集成并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化裝配。（3）軟件組：主要負(fù)責(zé)模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的開發(fā)。目前我們建立了一個(gè)基于MFC的軟件框架，并已集成了大部分的算法。我們后續(xù)的工作將整理客戶需求，進(jìn)一步完善軟件系統(tǒng)。（4）測試組：主要負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的測試計(jì)劃，產(chǎn)生系統(tǒng)測試報(bào)告，以及問題修改記錄，同時(shí)在階段結(jié)束后，還將對(duì)項(xiàng)目的問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)時(shí)間段情況分析項(xiàng)目的問題程度，并將問題單提交對(duì)應(yīng)小組，由對(duì)應(yīng)小組完成問題的修改，針對(duì)需求誤差，將反饋給小組負(fù)責(zé)人，并及時(shí)修改硬件、軟件設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的問題，以及可能將產(chǎn)品提交給用戶體驗(yàn)。5.2、項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施步驟本項(xiàng)目包括硬件和軟件兩大部分，軟件由我司研發(fā)部門團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)、開發(fā)。硬件則采用由我司設(shè)計(jì)，委托第三方生產(chǎn)的模式。我司通過制定和實(shí)施周密的測試方案來把控軟件和硬件的質(zhì)量和可靠性。（1）在軟件部分，我司在軟件研發(fā)的整個(gè)過程嚴(yán)格按照“單元測試->集成測試->確認(rèn)測試->系統(tǒng)測試->發(fā)布測試”的流程來執(zhí)行；并對(duì)各軟件模塊進(jìn)行黑盒與白盒的交叉測試，保證軟件的正確性，完整性和安全性。（2）在硬件部分，為了便于產(chǎn)品的測試，運(yùn)輸，維護(hù)和質(zhì)量把控，我司對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)于由傳感器和機(jī)械裝置等構(gòu)成的各成品模塊，我們設(shè)計(jì)和制作測試裝置對(duì)模塊進(jìn)行疲勞測試和耐久測試；對(duì)模塊進(jìn)行反復(fù)高強(qiáng)度的使用，直到模塊損壞。再根據(jù)測試結(jié)果對(duì)模塊設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而保證硬件模塊的壽命。對(duì)于系統(tǒng)的測試則包括內(nèi)測和外測兩個(gè)部分。內(nèi)測是由我司的測試部門和研發(fā)部門協(xié)同制定測試方案，再交由測試部門加以實(shí)施，將出現(xiàn)的問題反饋給研發(fā)部門，進(jìn)行修正和改進(jìn)。外測則是將我們的訓(xùn)練產(chǎn)品交由合作醫(yī)院試用，通過系統(tǒng)自動(dòng)記錄試用的結(jié)果，以此為基礎(chǔ)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改和完善。5.3、科技資源綜合利用科技資源綜合利用，是指在科學(xué)技術(shù)支撐的前提下，將資源高效利用、充分利用、最大化利用的具體資源利用活動(dòng)。堅(jiān)持抓好資源節(jié)約與綜合利用工作，不僅要靠培養(yǎng)公司全員節(jié)能意識(shí)、環(huán)保意識(shí)，更要把這項(xiàng)工作納入日常的工作制度之中，才能長期堅(jiān)持，循序發(fā)展。本項(xiàng)目以申請(qǐng)人在香港學(xué)習(xí)工作期間的研究為基礎(chǔ)，通過自籌資金開始運(yùn)作，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，公司將通過技術(shù)股權(quán)交易的模式，籌集到項(xiàng)目后階段所必須的資金投入；并且公司立足于深圳，可利用深圳現(xiàn)有的成熟科技配套資源，以及深圳對(duì)全國大學(xué)畢業(yè)生的吸引力，快速培養(yǎng)自己的研發(fā)團(tuán)隊(duì)；同時(shí)利用深圳背靠香港，面向全球窗口的優(yōu)勢，充分發(fā)掘全球在該領(lǐng)域擁有最新最全的產(chǎn)業(yè)信息和行業(yè)趨勢，為公司項(xiàng)目的發(fā)展把握方向。5.4、成果產(chǎn)業(yè)化策略項(xiàng)目以模塊化的方式進(jìn)入市場，可以快速規(guī)?；纳a(chǎn)，從而有效降低各種生產(chǎn)成本。因?yàn)榭萍汲晒a(chǎn)業(yè)化的復(fù)雜性決定了企業(yè)不可能完全孤立的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，所以在進(jìn)入市場的過程中，通過和相關(guān)協(xié)會(huì)的密切配合，盡早開始產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的研究與建立，從而站在行業(yè)的最前端。產(chǎn)品的模塊化，也就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，逐步取代現(xiàn)有的活體試驗(yàn)和簡單模型的訓(xùn)練方式，促進(jìn)整個(gè)介入手術(shù)訓(xùn)練行業(yè)向現(xiàn)代化，軟件化，虛擬化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)整個(gè)行業(yè)的整體升級(jí)以及替換；同時(shí)可以形成一個(gè)以現(xiàn)代軟件業(yè)，電子傳感，計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主體的新產(chǎn)業(yè)。同時(shí)可以與客戶一起實(shí)現(xiàn)低成本高品質(zhì)的市場策略，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。5.5、研發(fā)資金的籌集與投入由于本項(xiàng)目前期投入大，并且隨著公司業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)流動(dòng)資金的需求也在逐步加大，公司增加的資金需求僅僅靠自身積累很難得到滿足。而資金不足可能導(dǎo)致項(xiàng)目實(shí)施周期延長或停滯不前，造成資金與人員的嚴(yán)重浪費(fèi)，影響到業(yè)務(wù)的推進(jìn)和未來項(xiàng)目的進(jìn)展。因此，希望申請(qǐng)政府基金的無償資助，作為對(duì)企業(yè)研發(fā)資金投入的補(bǔ)充，有效緩解企業(yè)自有資金不足的壓力，促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)，我們也將加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部管理，節(jié)儉開支，提高資金的有效性，使企業(yè)成為技術(shù)創(chuàng)新的主體；積極爭取國家在政策、稅收減免等方面的支持，未來繼續(xù)拓展融資渠道，期望資金來源更多樣化，而且更有保障。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)要求，估算該項(xiàng)目總投資