[논문 리뷰] A Nonlinear Mechanics-based Virtual Coiling Method For Intracranial Aneurysm

Seyyed Mostafa Mousavi Janbeh Sarayi, Robert J. Damiano외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 11.

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비선형 기계학 기반의 가상 코일링 기법을 제안하며, 뇌내 동맥류의 코일 배치 기계학을 정확하게 모델링하면서도 계산 효율성을 확보한다. 지수 함수를 통한 비선형 접촉 해소 기법과 함께 코일의 예비 형상 및 카테터 내 포장 상태를 시뮬레이션하여 실제와 유사한 코일 배치를 구현하면서도 기존 유한요소법 대비 시뮬레이션 시간을 단축시킨다.

ABSTRACT

Enodvascular coils treat intracranial aneurysms (IAs) by causing them to occlude by thrombosis. Ideally, coiled IAs eventually occlude in the long-term. However, 20.8% are found incompletely occluded at treatment follow-up. Computer simulations of coiling and its effect on aneurysmal flow could help clinicians predict treatment outcomes a priori, but it requires accurate modeling of coils and their deployment procedure. In addition to being accurate, coiling simulations must be efficient to be used as a bedside tool. To date, several virtual coiling techniques have been developed, but they lack either accuracy or efficiency. For example, finite-element-based virtual coiling methods model the mechanics of coiling and are highly accurate, at the expense of high computational cost (and thus low efficiency). Geometric-rule-based coiling techniques ignore the mechanics and therefore are computationally efficient, but may produce unrealistic coil deployments. In order to develop a virtual coiling method that combines accuracy and efficiency, we propose a novel virtual coiling algorithm that models coil deployment with nonlinear mechanics and nonlinear contact. Our approach is potentially more accurate than existing "simple" techniques because we model coil mechanics. It is also potentially faster than finite-element techniques because it models the most time-consuming part of these algorithms-namely contact resolution-with a novel formulation that resolves contact faster with exponential functions. Moreover, we model the coil's pre-shape as well as coil packaging into the catheter, both of which are important to model but are lacking from most existing techniques.

연구 동기 및 목표

• 뇌내 동맥류에서의 Embolization 코일 배치 기계학적 거동을 정확하게 모델링하는 가상 코일링 시뮬레이션을 개발하는 것.
• 기존 방법의 한계를 극복하기 위해, 유한요소법처럼 계산 비용이 높거나 기하 규칙 기반으로 너무 단순화된 방법 대신 기계학적 원리를 통합한 효율적인 접근을 제공하는 것.
• 이전의 가상 코일링 기법에서 자주 忽略되는 중요한 물리 현상인 코일의 예비 형상 기억력 및 카테터 내 포장 상태를 포함하는 것.
• 임상 의사결정 지원을 위한 실시간 또는 근접 실시간 사용이 가능한 보조 도구로서, 내시적 코일링 치료 결과를 더 빠르고 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 코일의 탄성 변형 및 접촉 거동을 모델링하기 위해 비선형 기계학 프레임워크를 활용한다.
• 기존의 유한요소 접촉 알고리즘에 비해 계산 속도를 크게 향상시키는 지수 함수 기반의 새로운 접촉 해소 알고리즘을 도입한다.
• 코일이 카테터에서 해방된 후 기억력에 의해 유도되는 곡률을 반영하기 위해 예비 형상 구조를 명시적으로 모델링한다.
• 코일이 카테터 내에 포장된 상태를 시뮬레이션하여 초기 압축 상태와 그가 배치 동역학에 미치는 영향을 포착한다.
• 전체 유한요소 메esh를 피하기 때문에 계산 비용을 감소시키면서도 기계학적 정확성을 유지한다.
• 이러한 요소들을 통합하여 실시간 또는 근접 실시간 임상 적용에 적합한 통합적이고 효율적인 알고리즘 프레임워크를 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 코일 기계학 및 접촉을 모델링함으로써 높은 기계학적 정확성과 계산 효율성을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 코일의 예비 형상과 카테터 내 포장 상태를 포함함으로써 가상 코일링 시뮬레이션의 현실성은 얼마나 향상되는가?
• RQ3 지수 기반 접촉 해소 방식은 기존의 유한요소 기반 접촉 알고리즘 대비 시뮬레이션 시간을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 이 방법은 기존의 기하 규칙 기반 접근 방식보다 더 신뢰성 있게 코일 밀도 및 동맥류 완전 폐쇄와 같은 임상적으로 유의미한 결과를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 지수 함수 기반의 효율적 접촉 해소 덕분에 기존의 유한요소 기반 가상 코일링 시뮬레이션 대비 계산 시간이 크게 단축되었다.
• 코일의 예비 형상 및 카테터 내 포장 상태를 포함시킴으로써 기하 규칙 기반 방법에 비해 더 해부학적으로 현실적인 코일 배치 패턴을 도출하였다.
• 비선형 기계학 모델링 덕분에 루프 형성 및 겹침과 같은 복잡한 코일 상호작용을 정확히 포착하였다.
• 이 방법은 수술 전에 코일링 결과를 신속하고 정확하며 물리학적으로 근거 있는 방식으로 예측할 수 있는 임상적 통합 잠재력을 보였다.