Endoscopic retrograde cholangiopancreatography (ERCP) is not only used in diagnosis of bile duct and pancreatic duct; now a days, it is also a front line treatment procedure for choledocholithiasis (gallstone in com-mon bile duct) by combining with endoscopic sphincterotomy (ES). Still, it is a very challenging procedure for inexperienced doctors and requires a lot of practice (around 200) to be skilled enough to perform real surgery. Stone extraction from the common bile duct without damaging the duct is one of the most difficult parts of ERCP. For this circumstance, this thesis aims to develop a training simulation of common bile duct stone extrac-tion procedure which contains the real-time fluoroscopy simulation of deformable bile duct model and the inter-action model of duct and stone/ balloon, and duct and catheter.
This thesis focuses on real-time deformation of bile duct, interaction between catheter and duct, interac-tion between stone and duct, and fluoroscopy visualization of the overall procedure. Simulation models are de-veloped by considering the characteristics of real model. The common bile duct has a very special deformation behavior. Upper part of the duct is attached with liver and gallbladder and lower part is attached with major papilla. The whole duct has some global movement due to the respiratory motion. Beside this, the upper part acts as a rigid body with some local deformation in the duct wall and the lower part shows some global deformation along with the local deformation due to the exertion force by catheter in the time of stone or balloon extraction. To represent these three different deformation characteristics, a centerline based modeling method is proposed to model the duct which has a set of circular points for every center points. Where, all the center points of the duct are connected with axial spring-damper model and sinusoidal force is applied to represent the respiratory motion. In the lower part, there is additional bending effect of torsional spring are connected with the center points to represent the global deformation caused by catheter. Catheter is much more flexible than duct wall that cannot make any local deformation. Only the stone creates the local deformation in the duct wall which is represented by repositioning the circular points. Triangular surface mesh is generated by connecting the circular points to render the duct model in fluoroscopy image.
For simulating interaction between the duct and stone or balloon, the stone or balloon is considered as rigid sphere. Centerline based collision detection is proposed to compute the collision between the center point of the sphere and the center point of the duct. After finding the colliding center point of the duct, the radius of the duct at that center point and the radius of the sphere are compared. If the radius of the sphere is larger than the duct at the colliding center point position, the duct radius of that center point will be replaced by the radius of the sphere and the contact force will be computed with the penetration depth and surface area of contact. If the sphere radius is smaller than the radius of the duct, the duct will be unchanged. For the interaction between duct and catheter, the catheter is modeled as set of mass points connected by elastic links of mass-spring system and bending spring is attached with each mass point. At every time steps, the distance between the mass points of the catheter and the closest canter points of the duct is computed. If these distance becoming larger than the difference of duct radius and catheter radius at that center point, the catheter will be deformed at that mass point.
The visual feedback of this simulation is completely depends on fluoroscopy visualization. To simulate the fluoroscopy image in real-time a novel hybrid rendering method is proposed. In this procedure, the polygonal model of the duct, and the catheter and stone model are combined with the background, which is extracted from the real fluoroscopy video. All the models and the background image affect the final image depending on their attenuation coefficient.
The proposed fluoroscopy simulation technique is compared with the existing methods. This method can overcome the shortcomings of others like intermediate image generation from CT volume data, difference in resolution, preprocessing of model extraction from the CT data. Moreover, the proposed technique can represent the complete simulation more realistically and in real-time. The centerline based simplified duct model is verified by comparing with hub-spoke structure of medial representation model.
내시경 역행 췌담관 조영술은 잘 알려진 최소 침습 수술 중 하나로, 담췌관 내의 담석을 제거하는 수술이며, 대개 내시경 유두 괄약근 절개술을 통해 유두부를 절제한 후에 이뤄진다. 본 수술은 습득하는데 많은 수련이 필요하며, 숙련의 또한 이를 성공적으로 수행하는 것이 매우 어렵다. 현재 컴퓨터 기반의 ERCP 시뮬레이션은 주로 내시경을 십이지장부까지 삽입하는 과정 및 튜브를 유두부에 삽입하는 과정의 개발이 이루어 졌다. 반면, 총담관 내의 담석을 찾고 이를 제거하는 과정에서도 시각 정보와 관련한 어려운 점이 존재한다. 의사는 전적으로 투시 조영 영상에 의존하여 본 과정을 수행하기 때문에, 수술 시 일어날 수 있는 실제 시나리오들에 대해 충분한 적응이 필요하다. 이러한 이유로, 본 논문에서는 컴퓨터 기반의 총담관 내 담석 제거 훈련 시뮬레이션을 구성하고자 한다.
본 시뮬레이션의 구성에 있어 필요한 요소들은 담관의 변형체 모델, 담관, 담석 및 카테타의 상호작용 모델 및 전반적인 과정의 실시간 투시 조영 이미지의 생성이다. 담관의 변형 동작은 단순화한 중심선 기반 모델링 방법을 이용하였다. 모든 중심점들은 축 방향의 질량-스프링-뎀퍼 시스템으로 연결된다. 추가적으로, 굽힘 현상을 반영하기 위해 담관의 하부 영역에 위치한 각 중심점들에 비틀림 스프링이 연결된다. 카테타 모델 역시 여러 개의 질점이 탄성 링크로 연결된 형태로 모델링 된다.
상호작용 시뮬레이션을 위해서, 중심점 기반의 충돌 검사 방법이 적용되었다. 담관벽과 카테타 사이에 충돌이 감지되면 카테타에 페널티 방법 기반의 반력이 작용한다. 담석과 담관 사이의 상호작용은 담관의 지름이 담석의 지름보다 작게 되는 경우 발생하며, 이러한 경우 위치 구속 방법 을 기반으로 담관 표면 점들이 생성된다.
전체적인 수술과정의 실시간 투시 조영 영상을 위하여 새로운 투시 조영 영상 시뮬레이션 방법이 구현되었다. 시뮬레이션 시나리오를 표현하기 위하여, 텍스쳐 매핑 방법 및 다각형 기반의 방법이 결합된다. 배경 영상은 실제 투시 영상에서 추출한 이미지를 텍스쳐화 하였으며, 담관, 담석 및 카테타 모델의 경우 다각형 기반의 모델로 구성된다. 이 때, 각 모델에는 서로 다른 밀도 값이 할당된다. 불투명한 각 모델들은 텍스쳐화한 배경 영상과 혼합되어 최종적인 이미지를 생성한다.
제안된 방법은 단순화된 중심점 기반의 담관 모델의 변형 및 전체적인 시뮬레이션의 투시 영상 렌더링 시뮬레이션을 수행함으로써 검증되었다. 제안된 투시 영상 렌더링 방법의 현실감 검증을 위하여, 실제 촬영된 투시 영상과 제안한 방법과의 비교를 수행했다. 제안된 담관 모델과 기존의 허브 및 스포크 구조의 모델의 계산 시간 비교를 통해 계산 효율 측면에서 본 방법의 우수성을 검증하였다. 서로 다른 두 사례에 대한 시뮬레이션이 이뤄졌으며, 이 때 소요되는 계산 시간의 경향은 유사하게 나타났다.
최종적으로, 의사에게 본 시뮬레이션의 결과를 보여줌으로써 이를 검증하였다.
