研究虚拟仪

成果名称 心脑血管虚拟内窥镜的研发培育 单位名称 北京师范大学 联系人 常崇艳 联系邮箱 changcy@bnu.edu.cn 成果成熟度 □研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 合作方式 □技术转让 □技术入股 &radic 合作开发 □其他 成果简介： 心脑血管可视化研究是针对人体心脑血管的计算机应用技术。通过对数字化的医学影像的智能处理、数据分析、三维建模、数据可视化，虚拟现实，以充分呈现人体血管的形态特征，方便医生洞察医学数据，应用于医学教学、科研、临床，达到对疾病诊断、病灶检测、辅助治疗的作用。 心脑血管是人体血管中的最典型的代表，心脑血管疾病是当前人类健康的最重要疾病。结合信息科学与生命科学特点，运用计算机最新科技方法对血管的研究，是近年来该领域的研究热点。该领域的研究进展和技术突破，对临床医学、生命科学、病症统计学及预防学等领域的发展将带来重要的影响。由于心脑血管在人体组织中所占比例低，血管成像灰度不均匀，形态复杂且个体差异性大，细小血管间多存在缠绕和遮挡，使得对心脑血管的可视化成为计算机图形学领域中的重要问题。本项研究针对心脑血管可视化应用领域，主要解决的问题和关键技术包括： 1. 从医学影像中血管信息的提取技术； 2. 医学体数据中血管的三维可视化实时绘制技术 3. 血管数据的三维建模技术、 4. 血管的虚拟内窥技术 5. 三维血管数据的测量技术 6. 异常血管的疾病监测技术 本项研究应用计算机图形学和人工智能技术，重点突破在基于医学图像序列的影像数据精细分割、大规模体数据的实时精细绘制、复杂血管模型的建模，针对脑血管的分层三维可视化、血管的虚拟内窥等关键技术瓶颈，改进了现有的可视化关键算法，开发了系列软件平台，形成了&ldquo 四层两库&rdquo 的体系结构。本项研究工作得到了６项国家和北京市的科技计划支持，共发表三大检索论文28篇。 该项研究运用信息技术对医学影像的智能处理，更真实的呈现了人体血管的三维形态特征。研究成果可有效的应用于医学教学、科研、临床，其研究意义重大，应用前景广阔。 应用前景： 医学影像检查的结论通常来自图像后处理医生提供的图像和报告，如果所获得的图像质量非常高，图像后处理难度非常小，那么诊断结论就相对简单、诊断准确性也将很高。然而由于患者心率、造影剂的注射参数、扫描参数、伪影以及对比强度不佳等客观因素以及图像重建水平等主管因素的影像往往使得医学影像检查的结论存在一定的误差，因此亟待通过应用高性能、高质量的医学影像工作站进一步提高图像重建的准确程度，为伪影的甄别和处理和病变组织的识别和判断奠定基础。 在实际工作中，大多数情况下主治医生并不能到影像工作科室去实际完成影像的重建，其诊断还是要依赖于重建医生所提供的图像。重建医生在重建过程中所出现的判断错误，主治医生很难识别，即使有所怀疑，也需要对原始的切片图像进行观察和简单处理以后才能确定。但是，在很多医院，受PACS系统承载能力的限制，不可能把大量的切片图像全都上传到图像服务器，这就给整个诊断过程带来了困难，并将对医学影像工作站的使用造成巨大的负载压力。要解决这样的冲突，就必须增加工作站的数量，然而设备厂商提供的工作站价格十分昂贵，并且一般不为用户提供相应软件开发和的接口个性化服务功能，一定程度影响了工作站的推广和使用。因此具有价格便宜、具有满足用户个性化需要、兼容各类影像数据和工作站、功能完整、重建质量高、操作简单、具有可编程开放接口等特点的医学影像工作站将成为未来的发展方向。 知识产权及项目获奖情况： 本项目在多项关键技术中，具有自主知识产权的研究成果 专利与软著情况，形成6项软件著作权，1项专利 6项软件著作权 1、 脑血管医学图像分割系统2、 脑血管分割及医学虚拟内窥检查系统 3、 基于PSO的统计脑血管分割系统 4、 脑血管三维可视化虚拟融合系统 5、 心脑血管数据库管理系统 6、 三维脑血管模型动态压缩处理 1项专利 1、 基于球B样条曲线的三维血管模型构造方法 10项国家、部委、省、市专项计划支持 1、 国家自然科学基金《基于医学图像的数据挖掘技术研究》（60372072）已结题 2、 北京自然科学基金重点项目《虚拟环境中脑血管可视化、导航和监测技术》（4081002）已验收 3、 首都科技条件平台项目《心脑血管虚拟内窥镜的研发培育》(Z131110000613062) 已验收 4、 国家自然科学基金项目《盘B样条和球B样条造型的理论及其应用》(61170170) 在研 5、 国家自然科学基金项目《脑血管兴趣区域提取关键技术研究》(61271366) 在研 6、 国自然面上基金《基于CTA影像数据的3D冠脉狭窄自动检测及其量化评估研究》(61472042) 在研 7、 国自然青基《基于球B样条的Willis环建模、分割及定位关键技术研究》(60803082）已结题 8、 国自然青基《基于统计分割的脑血管三维模型重构研究》(61003134) 已结题 9、 国家重点实验室项目《交互式实时虚拟内窥镜算法研究》（SYSKF0107 》已结题 10、 博士后基金《三维血管的重构技术研究》已结题

虚拟翻书作为一个新鲜的名词最近已经进入到人们的视线之内。无论是在各大行业的展览展示应用，还是人们的眼前手边，都已经开始发现虚拟翻书这种独特的高科技产品。新颖的模式，别具一格的造型理念，在配合新兴的娱乐互动系统，让虚拟翻书都成为越来越不可或缺的创新产品。 　　虚拟翻书系统就是虚拟电子书，又叫做虚拟翻页、感应翻书、电子翻书、互动翻书等，虚拟电子书犹如一本打开的书籍，里面可以记载丰富的资料(包括动画、视频、图片)。参观者可以挥动手臂“翻阅”书籍，自左向右或者自右向左，还可以选择章节，快速找到您想翻阅的内容，就像翻阅一本普通的杂志一样，这就是虚拟翻书系统带来的惊喜!这种虚拟翻书形式新颖，视觉冲击力强，给人以神奇感，而且可以展示的信息量大。 　　互动技术在投影行业已经有了广泛的认知和长足的发展，国内随着投影机的普及新型的技术也打开了局面。 　　互动投影系统运用的技术为混合虚拟现实技术与动感捕捉技术，是虚拟现实技术的进一步的发展。虚拟现实是通过计算机产生三维影像，提供给用户一个三维的空间并与之互动的一种技术。通过混合现实，用户在操控虚拟影像的同时也能接触真实环境，从而增强了感官性。 　　互动投影系统奇幻的视觉效果和美妙的动感将吸引所有的顾客、现场观众甚至是路人的驻足停留和互动观看，并通过其互动画面和声音变幻使所有的顾客和观众参与其中，从而提升娱乐和休闲的内在吸引力，促进消费和再消费，特别适合于迪吧、酒店、KTV、酒吧等休闲娱乐场所。

5月24日，北京东方振动和噪声技术研究所名誉所长应怀樵在第十五届北京科博会“2012中国战略性新兴产业发展论坛”上，作题为《云智慧时代第三次工业革命正在走来——“从软件制造仪器”到“软件制造一切”》的主题演讲。 　　科学无国界，而科学家是有国界的，这句话在“中国虚拟仪器之父”应怀樵身上，就是近半个世纪的岁月里，他始终以“砍柴樵夫”般的坚韧与顽强，跋涉在为中华崛起而奋斗的科学高峰上，即使古稀之年，面对“3次中风、4次心梗、7次至阎王殿”的生命挑战，依然以超人的毅力、坚定的信念，战胜病魔，执著奋进在创世界一流的“虚拟仪器”科研阵地上。 　　而支撑他的则是中国科学界应为人类文明进步作出更大贡献的使命感与荣誉感!正是怀着振兴中华、造福人类的理想追求，他数十年如一日，呕心沥血，将全部精力投入虚拟仪器(VI)科学研究之中，自主创新112项新技术，攻克十大世界性难题并填补国内空白，特别是对“传递函数的测试及实时控制和反演关键技术”的成功突破，为提高虚拟仪器测量精度和范围开创新途径，被认为“可与‘光纤之父’诺奖得主高锟教授的‘光纤通信’成果相提并论”，使中美两国同步创造的虚拟仪器达到可问鼎诺贝尔物理学奖的，具有世界性重大意义的成果，是中华民族继四大发明之后，对人类文明有重要意义和影响的现代发明之一。 　　生命熔铸：“虚拟仪器之父”是怎样炼成的 　　1941年7月，应怀樵出生于浙江绍兴，这里人文底蕴深厚，而无论是早年受笃信佛教的母亲的熏陶，还是得益蔡元培曾担任校长的小学优良的教学传统，都使他从小树立了为民族崛起而读书的远大理想。 　　1959年，应怀樵就读浙江大学理论物理专业，后应国家需要全班调整为应用力学专业。1964年，大学毕业后，他被分配到中国铁道科学院，致力于高速列车风洞课题研究，并到清华学习风洞测试分析技术。1965年，他参与我国核爆炸防护工程研究，接触到震动噪声和频谱分析，开始了虚拟仪器科研生涯，而早年五次转换专业，则练就他扎实的学术功底和多学科交叉研究课题的优势。更重要的是，科技水平对国家命运的深刻影响更使他深感责任重大。成为世界一流的科学家，为国争光成为他深埋心中的梦想。而他也毫不讳言对诺奖的钟情，在他看来，诺奖不仅是一种崇高的荣誉，更是激励创新、造福人类的精神泉源。 　　在他看来，以“四大发明”为标志，中华民族曾为人类科技进步作出重要贡献，然而近代以来却落伍了，应怀樵认为，伴随中华民族的伟大复兴，中国科学家理应在高科技领域取得原创的重大突破，向诺奖冲刺。这不仅是一个科学家的荣誉，更是中华民族屹立世界民族之林的时代要求。 　　正是怀着这样一份强烈的使命感和荣誉感，应怀樵走过了一条不平凡的科研探索之路。要成为世界一流的科学家，首先要有敏锐、超前发现重大课题的科研能力。应怀樵介绍说，所谓“‘虚拟仪器’其实并非是传统的仪器，它是指集数据采集和信号调理器、信号处理技术与PC机技术于一体的软件制造仪器”。事实上，1965年他参加国防核爆炸防护工程课题——地下铁道核爆炸震动噪声与动力学测试分析的研究，当他遇到地铁道床的下沉残余位移(OHz)用硬件无法获得的难题时，就萌生了虚拟仪器的大胆构想——“用数字算法和软件取代硬件”，1973年他尝试用数字计算机的软件数字积分取代传统硬件模拟积分的方法解决上述难题，1979年获得成功，成为虚拟仪器的最早成功范例。同年于杭州召开的国防科委核试验全国防护工程学术会上，他提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”，获得主持会议的中科院力学所所长郑哲敏院士、清华大学副校长张维院士、同济大学校长李国豪院士的赞扬和支持，比美国NI公司“软件是仪器”的概念提出早7年。 　　成为世界一流科学家，还要有瞄准国际前沿，不断自我超越的创新意志。据了解，科学仪器与实验技术发展至今已走过模拟式、数字式、智能式三个阶段，从1983年~1986年，开始出现第四代仪器即虚拟仪器(简称VI)。而应怀樵的研究始终走在国际前列。1979年，他编撰的具有该领域应用成果的国内首部专著《振动测试和分析》出版发行，并不断自我超越：1982年《CZ测震仪与测振技术》出版发行，1983年出版了具有中国虚拟仪器早期构思实例框图的《波形和频谱分析与随机数据处理》。1985年他自筹资金创建东方振动和噪声技术研究所(简称东方所)，开始系统从事虚拟仪器库、移动实验室技术研究，提出“把实验室拎着走”的目标，正式立题“DASP虚拟仪器库—振动噪声、模态分析移动实验室技术”研究，为此，他自立课题、自筹资金开始研究“PC卡泰”(PCCATAI)—微机卡式自动采集测试分析仪器。他还是国内外最早提出“用软件制造仪器”、“用软硬件相结合”来取代传统仪器的学者。此后，依靠持续创新，他带领团队突破了虚拟仪器的核心技术，开发出适合便携机和笔记本使用的小型数采卡和大容量数据采集分析(LCAS)软件，研制成功台式和笔记本式大容量智能数据采集和信号处理系统以及DASP“达世普”虚拟仪器库系统。这是我国最早研制成功的虚拟仪器产品，实现“把实验室拎着走”的目标。 　　1988年9月16日，中国虚拟仪器应用于火箭激振钱塘江大桥模态实验圆满成功。1993年3月，该仪器参加北京新技术展览会，并远赴加拿大参展获一致好评。1995年用于“长三捆”火箭全箭模态实验，1996年用于神舟载人飞船移动发射平台模态实验。2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析。2007年，在第二届全国虚拟仪器学术交流大会上，东方所的卓越贡献受到高度评价，应怀樵被誉为“中国虚拟仪器之父”。 　　产业报国：让DASP虚拟仪器库运行在每个实验台 　　伴随经济全球化及信息时代的来临，如何在世界高科技领域拥有一席之地，如何将中国的高科技产品行销全世界，正成为中华民族是否真正崛起的重要标志。 　　数十载春秋，对十大世界性难题原创性的解决让其成为具有中华民族自主知识产权关键技术的经历为应怀樵平添几分豪迈与自信。 　　一是基于平台式设计的VI库技术。用软件制造仪器，软硬件结合取代传统仪器，这一具有里程碑式划时代意义的新路线对仪器制造业和测试技术界产生巨大影响，代表了我国在VI研发方面的最高水平。 　　二是变时基(VTB)传递函数(导纳)测量分析方法。达到国际领先水平，获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台、“长三捆”大型运载火箭、航天员超重训练机模态实验等数十项国家重点项目，效果优良。 　　三是高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。东方所原创的高精度频率计和幅值计，比国外常规方法提高精度100万倍，具有重大国际影响力。 　　四是超低频信号快速测量技术，达到国际领先水平。 　　五是原创倒熵熵、倒熵富、倒富熵等三种倒熵谱分析方法，达到倒谱分析的国际领先水平。 　　六是FFT/DFT分析方法，成为目前频谱细化主要方法之一，达到国际领先。 　　七是振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术，原创性地提出了全程微积分方法，实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量，达到国际领先。 　　八是自动化模态分析方法。一般人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。 　　九是24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术达到国内首创，国际领先。 　　十是突破传递函数的测试及实时控制和反演关键技术为提高仪器测量精度和范围开辟新途径。此技术是一项世界难题，可极大扩展仪器的频率测试范围，提高测试精度，极具国际竞争力。 　　仅仅拥有一流的成果还远远不够，在应怀樵眼里，诺贝尔不仅是一位杰出的科学家，还是一代企业家，对科学及人类进步事业的热爱，和凭借巨额财富设立的诺贝尔奖，使他成功激励了一代又一代热爱科学与进步的杰出人物，为人类文明的进步作出不可磨灭的贡献。为此，当虚拟仪器技术攀上科学顶峰的时候，应怀樵直面7次与死神擦肩而过的生命危机，依然没有停止探索与奋进的脚步，开始积极思考中国虚拟仪器的产业化之路，树立起“让INV系统走进每一个实验室，让DASP软件运行在每个实验台上”的宏大目标。 　　为此目标，他在建所之初就提出“勤奋、创新、坚持、自强、和谐”的十字座右铭和完全自由的判断与讨论的“玻尔所”精神和“六要三不要”的处事准则等基础上，发展成为涵盖精神追求、道德情操的18条共336字法则及幸福六大原则的企业文化，加强了东方所的文化凝聚力。 　　以此为纽带，东方所不断加强人才队伍建设，一方面加强与全国重点高校合作，为国家培养出大批专业急需人才，以及行业高端人才，该所研究团队也扩大到40余人，拥有博士、硕士数十名，成为虚拟仪器领域一支重要力量。同时他还成功组织和主持了23届全国振动与噪声高技术学术会议，1997年至今主编《现代振动与噪声技术》九卷等十多部专著及《倒熵谱研究》等150多篇论文报告。同时，不断创新软硬件研发，推出CPCI式INV3020和LAN以太网式INV3060、USB式INV3018系列新产品，无线INV9500、手持式INV3080等硬件新产品和DASP的最新软件版本，积极推动产品市场化。 　　“软件制造仪器，软硬件结合取代传统仪器”能省掉大量昂贵和笨重的硬件材料和人力物力、设备、厂房和能源，便于生产和携带。这是一条划时代的新途径，是科学仪器和测试领域的一次突破和革命，是21世纪的仪器的重要发展方向，是中华民族原创的具有自主知识产权的重大发明之一。中国虚拟仪器DASP软件和INV移动实验室系统是与美国NI同步并行研发的，其中自主创新112项新技术，其中20多项达国际领先水平，是研发最早且核心技术搞得最好的科研成果。 　　截至目前，该成果产品累计销往2000多家用户，经济效益超过1亿元，打破了此类仪器长期依赖进口的局面，为国家节省外汇数亿美元。目前，已广泛用于国防军工、航天航空等许多部门，参与完成上百项国家重大工程项目测试。若在国内全面推广，其经济价值按我国2007年仪器产值估算，按软件取代硬件30%到一半计算，将产生600亿元到1000亿元/年的巨大价值，为促进技术变革和推动新兴产业形成，造福国计民生发挥重大作用。 　　面对激烈的国际竞争与广阔的国际市场，应怀樵认为中国虚拟仪器产业化之路任重道远，“达到世界普及”，这是一个目标，更是一种信念!以领先的科技与执著的信念支撑，应怀樵和他的虚拟仪器产业化之路必将迎来胜利曙光!而作为科学家，应怀樵瞄准国际前沿的战略思考从未停止，随着“云计算”和“物联网”时代的到来，他又在国内外率先提出实验室网络云时代——“云智慧仪器实验室”与“云智慧故障诊断中心”和“智慧仪器”的构想，提议国家尽快开展相关研究。 　　正如诺奖的创立者曾经践行的，科学精神与产业之路的生命熔铸将带给人类更加美好的未来!或许，这正是以不竭的生命激情与创新意志跋涉于科学与产业化之路的“中国虚拟仪器之父”应怀樵教授所真正钟情的。