Sphincterotomy is a surgical procedure in Endoscopic Retrograde Cholangiopancreatography (ERCP). Doctors use an electrical device called sphincterotome to cut and enlarge major papilla of duodenum for cannulation (insertion of catheter into the bile duct) in this procedure. Sphincterotomy is challenging, therefore, it requires many practices from doctor before he performs in real ERCP. Previous research shows that to achieve 90% success rate, doctors must perform at least 200 ERCP procedures.
This thesis studies a computer-based simulation of sphincterotomy for training purpose. The major goal of the thesis is to develop a simulation of electrical cutting on the soft tissue model. The method must overcome the problem of performance, which cannot be achieved by previous research while maintaining the non-penetration surfaces between objects. The objectives of the thesis are:
o Develop deformable models of sphincterotome and major papilla of duodenum
o Develop contact model between these two deformable objects
o Develop cutting algorithm for simulation of cutting major papilla of duodenum
For deformable objects, we utilize meshfree methods to model major papilla of duodenum and develop a mass-spring system for model of sphincterotome. For contact problem, this thesis proposes a hybrid collision response model that divides contact cases into visible and invisible contacts. Signorini’s contact model is employed for visible contacts, and a centerline based model was developed for invisible contacts. The proposed contact model reduces computation time of collision response up to 80%, in compare to conventional methods. For cutting problem, this thesis proposed a mesh generation algorithm for meshing the new cut surface. The proposed meshing-algorithm is simpler and more stable than previous cutting method. The thesis also proposes new method for intersect test in cutting component. The proposed algorithm performs the test in original coordinate of the deformable model and reduce computation time up to 40% of the total simulation.
The complete simulation of sphincterotomy is archived. The visual quality of the simulation is accepted by doctors. The refresh rate can reach to 60 frames per second. The simulation also provides the sphincterotome model with 6 degrees of freedom; therefore, allows interactive control from trainee.
본 논문은 유두괄약근 절개 과정의 컴퓨터 기반 시뮬레이션 개발에 목적을 둔다. 유두괄약근의 절개는 괄약근절개기라는 전기 장치를 통해 십이지장의 유두부를 절개하는 과정을 거친다. 본 연구에서는, 무요소 기반의 모델링을 통해 조직을 모델링 하였으며, 도구 모델은 스프링-질량 모델을 이용하였다. 각 모델 간 접촉 해소를 위하여 Signorini 상호작용 모델을 이용하였으며, 절개 기술에 있어서는 매끄러운 절개면 형성 방법을 적용하였다. 하지만 위의 방법은, 전반적인 시뮬레이션이 실시간으로 동작하지 않는다는 점과, 전기 소작으로 인해 생길 수 있는 거친 표면의 생성이 이루어지지 않는 한계점이 존재하였다. 이를 해결하기 위하여, 본 논문은 시뮬레이션의 계산 성능을 향상시키기 위한 상호작용 모델을 제안하며, 또한 전기 소작으로 인해 발생하는 거친 표면의 생성 방법에 대해 제안한다.
과거의 상호작용 모델 중, 페널티 방법은 매우 빠르고 간단하지만 모델의 표면간 비침투 조건을 항상 만족하지 못한다는 단점을 가진다. 이와 달리, 제약 기반의 방법은 비침투 조건을 항상 만족하지만, 많은 계산량을 필요로하게 된다. 본 연구에서는 혼합된 상호작용 방법을 제안하여 괄약근절개기 및 유두부 사이의 상호작용을 효율성을 증가시켰다. 사용자 측면에서 비가시영역인 부분의 접촉은 중심점 기반의 페널티 방법을 이용하며, 가시 영역에 대해서는 제약 기반의 방법을 통해 시각적인 품질을 유지하면서도 효율적인 계산을 유도하였다. 이 결과, 본 방법은 표면의 비침투 조건을 만족함과 동시에 제약 기반의 방법을 이용했을 시 소요되는 계산 시간보다 약 80% 빠른 계산을 수행하였다.
무요소 모델의 절개 시뮬레이션은 표면의 절개 및 동적 요소의 절개로 이루어진다. 기존의 표면 절개 기술은 매끄러운 표면 형성에 초점이 맞춰졌지만 안정성 유지 측면에서 매우 어려움이 존재하였다. 본 논문에서는 괄약근절개기를 통해 모델이 절개되는 점에 착안하여 절개 발생 시 요소를 제거하는 방법을 제안하였다. 이를 통해 기존의 표면 절개 기술보다 약 8배 빠른 계산을 수행하였으며, 동시에 거친 표면을 형성을 통해 전기 소작의 영향을 반영하였다. 본 기술의 시각적 품질은 의사를 통해 검증되었으며 용인할 만한 결과임을 확인하였다. 다음으로, 동적 요소의 절개 과정에서는 절개 도구로 인해 발생하는 절개 지점의 빠른 감지가 중요한 요소이다. 이에, 본 논문에서는 무요소 모델의 역사상을 이용하여 초기 좌표로 변환한 절개 지점을 찾는 방법에 대해 제안하였다. 이를 통하여 전반적인 시뮬레이션에서의 계산 시간을 40% 정도 단축시켰다.
