Simulator for Minimally Invasive Vascular Interventions: Hardware and Software

VR-Simulation für das Training von Herzkathetereingriffen: Hard- und Softwarelösung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-161190
  • A complete simulation system is proposed that can be used as an educational tool by physicians in training basic skills of Minimally Invasive Vascular Interventions. In the first part, a surface model is developed to assemble arteries having a planar segmentation. It is based on Sweep Surfaces and can be extended to T- and Y-like bifurcations. A continuous force vector field is described, representing the interaction between the catheter and the surface. The computation time of the force field is almost unaffected when the resolution of theA complete simulation system is proposed that can be used as an educational tool by physicians in training basic skills of Minimally Invasive Vascular Interventions. In the first part, a surface model is developed to assemble arteries having a planar segmentation. It is based on Sweep Surfaces and can be extended to T- and Y-like bifurcations. A continuous force vector field is described, representing the interaction between the catheter and the surface. The computation time of the force field is almost unaffected when the resolution of the artery is increased. The mechanical properties of arteries play an essential role in the study of the circulatory system dynamics, which has been becoming increasingly important in the treatment of cardiovascular diseases. In Virtual Reality Simulators, it is crucial to have a tissue model that responds in real time. In this work, the arteries are discretized by a two dimensional mesh and the nodes are connected by three kinds of linear springs. Three tissue layers (Intima, Media, Adventitia) are considered and, starting from the stretch-energy density, some of the elasticity tensor components are calculated. The physical model linearizes and homogenizes the material response, but it still contemplates the geometric nonlinearity. In general, if the arterial stretch varies by 1% or less, then the agreement between the linear and nonlinear models is trustworthy. In the last part, the physical model of the wire proposed by Konings is improved. As a result, a simpler and more stable method is obtained to calculate the equilibrium configuration of the wire. In addition, a geometrical method is developed to perform relaxations. It is particularly useful when the wire is hindered in the physical method because of the boundary conditions. The physical and the geometrical methods are merged, resulting in efficient relaxations. Tests show that the shape of the virtual wire agrees with the experiment. The proposed algorithm allows real-time executions and the hardware to assemble the simulator has a low cost.show moreshow less
  • Es wird ein vollständiges Simulationssystem entwickelt, das von Ärzten als Lehrmittel zur Ausbildung grundlegender Fertigkeiten bei Herzkathetereingriffen eingesetzt werden kann. Im ersten Teil wird ein Oberflächenmodell zur Erstellung von Arterien mit planarer Segmentierung entwickelt. Im zweiten Teil werden die Arterien durch ein zweidimensionales Netz diskretisiert, die Knoten werden durch drei Arten linearer Federn verbunden und ausgehend von einer Dehnungsenergie-Dichte-Funktion werden einige Komponenten des Elastizitätstensors berechnet.Es wird ein vollständiges Simulationssystem entwickelt, das von Ärzten als Lehrmittel zur Ausbildung grundlegender Fertigkeiten bei Herzkathetereingriffen eingesetzt werden kann. Im ersten Teil wird ein Oberflächenmodell zur Erstellung von Arterien mit planarer Segmentierung entwickelt. Im zweiten Teil werden die Arterien durch ein zweidimensionales Netz diskretisiert, die Knoten werden durch drei Arten linearer Federn verbunden und ausgehend von einer Dehnungsenergie-Dichte-Funktion werden einige Komponenten des Elastizitätstensors berechnet. Im letzten Teil wird das von anderen Autoren vorgeschlagene physikalische Modell des Drahtes verbessert und eine neue geometrische Methode entwickelt. Der vorgeschlagene Algorithmus ermöglicht Echtzeit-Ausführungen. Die Hardware des Simulators hat geringe Herstellungskosten.show moreshow less

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Metadaten
Author: Pablo A. Baier
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-161190
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Graduate Schools / Graduate School of Science and Technology
Referee:Prof. Dr. Klaus Schilling, Prof. Dr. Sergio Montenegro, Prof. Dr. Wolfram Voelker
Date of final exam:2018/04/25
Language:English
Year of Completion:2018
Series (Serial Number):Würzburger Forschungsberichte in Robotik und Telematik (15)
ISBN:978-3-945459-22-5
Pagenumber:118
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
GND Keyword:Simulation; Arterie; Elastizitätstensor; Herzkatheter; Software; Hardware
Tag:Elastizitätstensor; Herzkathetereingriff
Artery; Elasticity tensor; Minimally invasive vascular intervention; Simulator; Stiffness; Wire relaxation; educational tool
Release Date:2018/05/28
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International