该成果面向医疗国家重大需求，围绕人体器官多尺度几何建模、物理建模与生理建模、手术虚拟仿真与评价三个重大科学问题，系统深入地开展了理工医结合的理论技术研究和应用示范。在虚拟人体和虚拟手术基础资源和自制装置、基础理论研究和技术创新、虚拟手术原型系统及示范应用三方面取得了多项创新成果，实现了从几何建模到生理建模、从通用训练到个性方案规划、从视觉仿真到视力觉融合的突破进展，产生了重要国际影响，为引领国际虚拟人体和虚拟手术创新发展奠定了基础。
（1）基础资源和自制装置
建成了包含人体几何数据和模型、人体生理数据和模型、医学图像处理算法的虚拟人体和虚拟手术基础资源库；自主研制了10台套支撑创新研究的硬件装置和设备。基础资源库中，建有分割样本53例，三维模型49例，心脏相关模型9例，数据量近300G；体循环模型、主动脉及其中物质传输模型、脑动脉血流模型、颈内动脉血流模型、血管支架模型、肿瘤模型等共计20余例，数据量近50G；医学图像处理、流体仿真、有限元仿真、GPU解算和优化算法、真实感绘制等方面的源代码及相关样例测试数据，核心代码总量超过50万行。自主研制的多尺度心血管血流动力学体外模拟系统在心血管系统的在体物理（力学）特性获取、体外模拟与测试方面取得创新成果，并在多个单位推广应用；自主研制的心血管介入手术力觉信息测量装置，突破了柔性手术器械大范围移动转动耦合在体测量难题，为力觉验证提供了新的有效技术手段。
（2）虚拟人体和虚拟手术技术创新
研究并揭示了人体器官几何形态、力学特性、部分生理功能的相互作用机制，构建了满足个性化需求的器官生理建模与仿真理论框架；解决了几何-物理-生理耦合模型支持下的精确力觉反馈难题，建立了支持切割、缝合、介入等复杂手术操作的虚拟手术技术体系；创新了特征驱动的数据处理、三维绘制和手术行为并行仿真等关键技术，保证了虚拟手术的逼真性、实时性和交互性。具体创新有：建立了多模态、多尺度的联合建模理论，将高精度数据集与临床个性化数据融合，搭建了形态学研究从宏观到微观、系统到局部、静态到动态的桥梁；提出了一系列基于“低秩+稀疏”优化模型的多模态图像融合、显著信息自动提取、物体自动跟踪和图像集共分割方法，使计算机在一定程度上可以模拟医务工作者的感知系统，提高了决策力、洞察发现力和优化分析能力；建立了主动脉，颈动脉，腹主动脉，脑动脉，冠状动脉等多尺度心脑血管模型，仿真了导丝/支架等植介入体与血流/血管等的相互作用，为心血管手术规划提供了理论支撑。
（3）虚拟手术原型系统及示范应用
在自研实验设备支持和理论技术创新基础上，研制了我国首台经皮冠状动脉成形（PCI）虚拟手术原型系统，并进行了验证和试用；研制了支持医疗手术仿真主要共性功能研发的虚拟手术支撑平台，支持了PCI虚拟手术原型系统、牙科手术模拟器、腹腔镜手术模拟器等多个虚拟手术模拟器的研发。
研制的PCI手术模拟器能够支持数据驱动的个性化心血管系统的高精度几何建模和动力学行为仿真、PCI手术所涉及的各类导丝/导管的实时多自由度力觉反馈操作，以及手术模拟操作过程的同步X光成像模拟与三维逼真绘制。主要器官的建模精细度达到100万面片以上，物理计算单元达到10万个以上，视觉仿真频率达到30帧/秒，力反馈相对误差为5%，虚拟碰撞力的计算效率达到1000HZ，第三方测试表明，该模拟器主要功能和性能指标达到国外同类产品的先进水平。
虚拟人体作为重要单元，成为转化医学国家重大科技基础设施（北京协和）的组成部分。PCI手术模拟器已在北京协和医院、北京安贞医院、北京阜外医院、北京朝阳医院等开展了示范应用；系列模拟器在Siggraph Asia2014、 Siggraph Asia2016、 2016北京科博会，2016中国国际工业博览会、2016世界仿真技术应用展览会，以及十二五国家科技创新成就展等重要展会展出。
本成果得到国家自然科学基金重大项目、首都发展基金等的支持。在包括TVCG、TIP、CGF、TOH、PR、ECCV等本领域一流期刊和会议上，发表学术论文67篇，其中SCI检索40篇，Q1区论文20篇。获国家发明专利授权20余项，获批软件著作权10余项。培养博士后、博士研究生、硕士研究生100余人。
