Coil embolization is medical procedure that makes occlusion at the aneurysm site with catheters and platinum coils. In this medical procedure, coil deployment step is very hard to perform because of several complications that are critical to patients. In this circumstance, physics-based interactive simulation of coil deployment procedure not only can help the doctor as planning of the procedure but also be used as training for the novice. To develop the interactive simulation of coil deployment procedure, virtual models and interaction between the models should be realized and should be operated in real-time. However, it’s hard to handle numerous contact points in real-time.
This thesis is focus on the collision detection method for a real-time physics-based simulation of coil deployment procedure. Firstly, simulation models are developed by considering properties of real model. The aneurysm model is regarded as a rigid body and it only contains geometric information. Mass-spring model is utilized for the coil model with simplified transformation matrix. An algorithm for solving the tri-diagonal matrix is modified which can accomplish globalization and LU factorization in one loop. As a result, modified algorithm can solve the dynamic equation with less computation time. Second, collision detection method that combines BVH method and spatial hashing method is proposed to detect the numerous contact points properly. Actually, BVH method is appropriate method to detect the collision between the aneurysm model and the coil model while the spatial hashing method is efficient at detecting the collision between coil models. Two collision types are introduced corresponding to the collision detection method. Type 1 collision is simplified with assumption that aneurysm model is rigid and has convex shape. Moreover, modified method that enlarges the BVH in pre-computation stage can further reduce the computational load. In type 2 collision, the method to assign the primitive of coil model into the grid cell is introduced. To resolve the collision occurred during the simulation, the method to exert the contact force corresponds to the contact information is introduced.
Proposed collision detection method is verified with simulation of the first coil deployment. The result of simulation shows proposed collision detection method is better than other conventional collision detection methods such as BVH method and spatial hashing method. Moreover, total coil deployment simulation is performed to check the validity of proposed method. Three coils are deployed in this simulation, and computation time required in this simulation is less than 30ms with proposed method. It shows that proposed method can be used for real-time simulation of coil deployment simulation.
코일 색전술은 뇌동맥류에 대해서 카테타나 백금 재질의 코일을 이용해 색전을 시키는 시술이다. 해당 시술 과정에서, 코일 배치 과정은 환자에게 매우 치명적인 여러가지 합병증을 유발할 수 있기 때문에 매우 어려운 시술이다. 이러한 상황에서 코일 배치과정의 물리 기반의 상호작용 시뮬레이션은 전문의에게 환자에 맞는 계획에 도움을 줄 뿐만 아니라, 수련의로 하여금 해당 시술을 훈련할 수 있도록 도움을 준다. 이러한 상호작용 시뮬레이션을 개발하기 위해서, 가상 모델과 그들 사이의 상호작용이 실현되어야 하며, 실시간으로 동작할 수 있어야 한다. 그러나, 시뮬레이션 도중 생길 수 있는 수 많은 접촉 지점에 대한 계산을 수월하게 하는 것이 어렵다.
따라서, 본 논문은 각 시뮬레이션 모델간의 상호작용을 구현하기 위한 충돌 검사 방법에 초점을 맞추었다. 첫번째로, 실제 시술도구나 혈관 등의 특성을 고려한 가상 모델을 생성했다. 뇌동맥류 모델은 기하학적 정보만을 담고 있는 변형하지 않는 모델이며, 코일 모델은 변형이 심하게 일어나는 모델로, 질량-스프링이 직렬로 이어진 형태의 모델링을 수행했다. 코일 모델의 변형을 효율적으로 구현하기 위한 방법으로, 시스템 행렬 형태를 고려하여 이에 최적화된 동적 방정식을 푸는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수 많은 접촉지점의 효율적인 감지를 위한 충돌검사 방법으로, 계층 구조를 이용한 방법과 공간을 분할하는 방법을 함께 이용하는 방법을 제안하였다. 각각의 방법은 서로 크게 상이한 특성을 지니는 본 시뮬레이션 모델 들에 대해 적합한 방법으로 뇌동맥류 모델의 경우에는 계층 구조를 이용한 방법을 이용하고, 코일 모델의 경우에는 공간을 분할하는 방법을 이용하였다.
제안한 충돌검사 방법의 검증을 위해서, 코일 배치 과정의 시뮬레이션에 소요되는 계산시간을 비교하였다. 제안한 방법은 기존의 충돌검사 방법들과 비교하여 계산시간 측면에서 우수함을 보였으며, 제안된 방법을 이용한 전체의 코일 배치 과정을 수행하여서 실시간 시뮬레이션에 적합한지를 검증하였다.
