Efficient constraint-based approach for endoscopic surgery simulation

Abstract

This dissertation addresses the longstanding challenge of achieving realism in surgery simulators, particularly those simulating colonoscopy, where traditional approaches often fail to capture the complex dynamics of interaction between long, slender, deformable tools like endoscopes and hollow organs, such as the human colon. Current simulators simplify navigation and interaction to maintain frame rates, neglecting the detailed contact dynamics between the organ and the instrument. To overcome these limitations, we propose a method that combines eXtended Position Based Dynamics (XPBD) with a Cosserat rod constraint and a tetrahedral mesh to main tain the organ’s shape within the dynamic environment of the abdomen. This approach not only preserves the overall shape of the colon but also captures global deformations, enhancing the fidelity of simulations compared to previous models. Furthermore, we en hance realism by employing patient data to generate the colon model, facilitating a highly authentic virtual colonoscopy simulation. We developed an application using the constraint-based approach within the Unity graph ics engine to validate our concept. We also implemented a small framework to manage physical interactions. The application was designed with modularity, providing a robust platform for testing the physical model and other methods that may become necessary throughout the research.

Esta dissertação aborda os desafios em desenvolver simuladores de procedimentos cirurgicos com foco no realismo, especialmente aqueles que simulam o procedimento de colonoscopia, o qual as abordagens tradicionais muitas vezes falham em capturar a com plexidade dinâmica da interação entre ferramentas longas, finas e deformáveis como endoscópios e órgãos ocos, como o cólon humano. Os simuladores atuais simplificam a navegação e a interação para manter as taxas de quadros elevadas, negligenciando a dinâmica de contato detalhada entre o órgão e o instrumento. Para superar essas limitações, propomos um método que combina eXtended Position Ba sed Dynamics (XPBD) com restrições baseada na teoria da Cosserat rod e uma malha de tetrahedros, a qual mantem com precisão a forma do órgão em meio a região abdominal. Esta abordagem não só preserva a forma geral do cólon, mas também captura deformações globais, melhorando significativamente a fidelidade das simulações em comparação com modelos anteriores. Além disso, aumentamos o realismo empregando dados de pacientes reais para gerar o modelo de cólon, facilitando uma simulação autêntica do procedimento de colonoscopia. Para validar nosso conceito, implementamos um aplicativo usando esta abordagem base ada em restrições juntamente com o motor gráfico Unity. Também desenvolvemos um pequeno framework para gerenciar as interações físicas. A aplicatição foi projetada tendo em mente a modularidade, fornecendo uma plataforma robusta para testar o modelo físico e outros métodos que possam se tornar necessários ao longo da pesquisa.