This thesis presents a novel modeling technique suitable for colonoscopy training simulator called the centerline-based modeling. The colon is regarded as serially connected cylinders along the medial axis. The Timoshenko beam theory is applied to the centerline of colon extracted from a medical image for global deformation. The stiffness matrix of colon is formulated using the finite element method and appropriate numerical method is verified for dynamic simulation. Also, colonoscope model has been assumed to consist of rigid elements connected with torsional damper and spring since the change of the length is a negligible quantity. Simple and fast collision detection and response algorithm are presented in order for interaction between colon and colonoscope.
The proposed method is concerned with modeling technique suitable for global bending behavior of colon for colonoscopy training simulator. Further, this method can be applied to similar medical training simulators such as gastroscopy and urethroscopy.
본 논문은 가상환경을 이용한 대장 내시경술 수련시스템을 위한 대장 및 내시경 모델링에 대한 연구이다. 의료 시뮬레이터에서 가상환경은 사용자가 햅틱 장치와 컴퓨터 모니터를 통해 인터랙션하는 과정이 실시간으로 구현되어야 한다. 특히, 대장 내시경술 수련시스템은 내시경 끝 단에 장착된 카메라에서 보여지는 대장의 부분적인 변형과 내시경이 삽입되면서 발생하는 대장의 전체 변형, 반력 계산이 실시간으로 이루어져야 한다. 기존에 연구된 의료 시뮬레이터에 사용된 모델링 방법은 간, 담낭관 같은 대장에 비해 작은, 처리해야 할 데이터가 적은 장기에 대해 연구되었다. 따라서, 대장의 변형에 대한 실시간 계산이 가능하면서 실제감을 높이는 연구 방법이 필요하다.
대장의 전체 변형을 구현하기 위하여 본 논문은 centerline-based modeling 방법을 제시하고 있다. 실제 의료 영상으로 얻어진 대장의 표면 데이터로부터 대장의 중심선을 추출하고 이 중심선을 이용해 대장의 변형을 구현한다. 중심선은 내시경과의 접촉에 의한 외력에 대해 선형 거동한다는 가정하에 빔으로 모델하고 유한요소법을 이용하여 대장의 동역학적 거동을 실시간으로 계산하는 방법을 제시한다. 내시경은 링크 구조로서 삽입 길이에 따라 링크의 수를 증가시켜 연속적인 거동을 할 수 있게 하였다. 또한, 내시경과 대장의 상호작용을 위한 충돌 검사 알고리즘 및 힘 보간 알고리즘은 대장뿐만 아니라 긴 관 형태의 물체에 적용될 수 있는 일반적인 방법을 제안하고 있다.
제시된 방법으로 내시경의 삽입 시 발생하는 접촉력 및 마찰력에 의한 대장과 내시경의 변형을 실시간으로 구현한다. 이 방법은 대장 내시경술 수련 시뮬레이터뿐만 아니라 다른 내시경 시뮬레이터에도 적용될 수 있다.
