虚拟手术仿真中多模态耦合视触觉反馈关键问题研究

Based on the application background of virtual surgery simulation, aiming at improving the virtual surgery simulation's realistic quality of various physical phenomenon during the interaction of soft tissue and surgical instrument, we conduct the research of the multi-mode coupled visual-haptic feedback problems during virtual surgery simulation by combining computational mechanics, biomechanics, electromagnetism and reverse engineering method. The main research contents include: (1) by studying the coupling model of normal soft tissue and tumour using energy-based asynchronous diffusion model, electromagnetic force-driven haptic feedback and the compressive sensing-based measurement of nonlinear parameter of soft tissue, to construct the visual-haptic feedback mathematical physical model.(2) by studying the fluid-solid coupling problems in small deformation state and large deformation state, to construct the fluid-solid coupling dynamic unified framework that is suitable for virtual surgery simulation. Our basic research will be the theory and method foundation for the development of virtual surgery simulation system that is suitable for new generation clinical surgery training, contributing to the breakthrough of the difficulties and improvement of range of application and economic value of virtual surgery simulation system. Simultaneously, our research also has important reference meanings to multi-mode coupled applications in other disciplines. The feasibility of this project has been well proved in previous work.

本项目以虚拟手术仿真为应用背景，针对目前虚拟手术仿真在模拟手术中组织器官与手术器械等交互过程各物理现象在真实性上存在的问题，结合计算力学、生物力学、电磁学和逆向工程等理论及方法，开展针对虚拟手术仿真中多模态耦合视触觉反馈问题的研究。主要研究内容包括：(1)通过对基于能量异步扩散的正常组织和肿瘤耦合、电磁力驱动的触觉反馈和基于压缩感知的组织特异性参数测量的研究，建立具有组织异构特性的视触觉反馈数学物理模型；(2)通过对虚拟手术中组织小变形和大变形状态下的流固耦合问题的研究，建立适用于虚拟手术的流固耦合动力学统一框架。本基础研究将为研制出新一代适用于临床外科医生手术培训的虚拟手术仿真系统奠定理论和方法基础，对于突破虚拟手术仿真中的难点问题，进一步提高该类系统的应用范围和经济价值有重要意义，同时对其他学科中多模态耦合应用也有重要的借鉴意义。本项目的可行性已在前期工作中得到了充分验证。

本项目以虚拟手术仿真为应用背景，针对目前虚拟手术仿真在模拟手术中组织器官与手术器械等交互过程各物理现象在真实性上存在的问题，结合计算力学、生物力学、电磁学和逆向工程等理论及方法，开展了针对虚拟手术仿真中多模态耦合及视触觉反馈问题的研究。主要研究内容包括：(1)通过对基于能量异步扩散的正常组织和肿瘤耦合、电磁力驱动的触觉反馈和基于压缩感知的组织特异性参数测量的研究，建立具有组织异构特性的视触觉反馈数学物理模型；(2)通过对虚拟手术中组织小变形和大变形状态下的流固耦合问题的研究，建立适用于虚拟手术的流固耦合动力学统一框架。本基础研究将为研制出新一代适用于临床外科医生手术培训的虚拟手术仿真系统奠定理论和方法基础，对于突破虚拟手术仿真中的难点问题，进一步提高该类系统的应用范围和经济价值有重要意义，同时对其他学科中多模态耦合应用也有重要的借鉴意义。本项目整体上按照研究计划进行，为了更好地完成研究任务，我们对任务书中的某些研究内容进行了必要的扩展，扩展的研究内容主要是：高精度医学图像分割模型、高分辨率弹性体的快速仿真模型、无条件稳定的显式迭代方法、具有丰富细节的快速边界湍流烟雾仿真。在本项目研究的基础上，项目组拟对虚拟手术仿真系统中沉浸式视触觉交互及个性化交互仿真等问题进行深入研究，例如非侵入式软组织参数测量方法、高精度高实时性流固耦合方法以及沉浸式视触觉融合方法等，为最终建立个性化、沉浸式虚拟手术仿真系统奠定理论和方法基础。