Computer-assisted access to the kidney

OBJECTIVES: The aim of this paper is to introduce the principles of computer-assisted access to the kidney. The system provides the surgeon with a pre-operative 3D planning on computed tomography (CT) images. After a rigid registration with space-localized ultrasound (US) data, preoperative planning can be transferred to the intra-operative conditions and an intuitive man-machine interface allows the user to perform a puncture. MATERIAL AND METHODS: Both CT and US images of informed normal volunteer were obtained to perform calculation on the accuracy of registration and punctures were carried out on a kidney phantom to measure the precision of the whole of the system. RESULTS: We carried out millimetric registrations on real data and guidance experiments on a kidney phantom showed encouraging results of 4.7 mm between planned and reached targets. We noticed that the most significant error was related to the needle deflection during the puncture. CONCLUSION: Preliminary results are encouraging. Further work will be undertaken to improve efficiency and accuracy, and to take breathing into account

Augmented Image-Guidance for Transcatheter Aortic Valve Implantation

The introduction of transcatheter aortic valve implantation (TAVI), an innovative stent-based technique for delivery of a bioprosthetic valve, has resulted in a paradigm shift in treatment options for elderly patients with aortic stenosis. While there have been major advancements in valve design and access routes, TAVI still relies largely on single-plane fluoroscopy for intraoperative navigation and guidance, which provides only gross imaging of anatomical structures. Inadequate imaging leading to suboptimal valve positioning contributes to many of the early complications experienced by TAVI patients, including valve embolism, coronary ostia obstruction, paravalvular leak, heart block, and secondary nephrotoxicity from contrast use. A potential method of providing improved image-guidance for TAVI is to combine the information derived from intra-operative fluoroscopy and TEE with pre-operative CT data. This would allow the 3D anatomy of the aortic root to be visualized along with real-time information about valve and prosthesis motion. The combined information can be visualized as a `merged\u27 image where the different imaging modalities are overlaid upon each other, or as an `augmented\u27 image, where the location of key target features identified on one image are displayed on a different imaging modality. This research develops image registration techniques to bring fluoroscopy, TEE, and CT models into a common coordinate frame with an image processing workflow that is compatible with the TAVI procedure. The techniques are designed to be fast enough to allow for real-time image fusion and visualization during the procedure, with an intra-procedural set-up requiring only a few minutes. TEE to fluoroscopy registration was achieved using a single-perspective TEE probe pose estimation technique. The alignment of CT and TEE images was achieved using custom-designed algorithms to extract aortic root contours from XPlane TEE images, and matching the shape of these contours to a CT-derived surface model. Registration accuracy was assessed on porcine and human images by identifying targets (such as guidewires or coronary ostia) on the different imaging modalities and measuring the correspondence of these targets after registration. The merged images demonstrated good visual alignment of aortic root structures, and quantitative assessment measured an accuracy of less than 1.5mm error for TEE-fluoroscopy registration and less than 6mm error for CT-TEE registration. These results suggest that the image processing techniques presented have potential for development into a clinical tool to guide TAVI. Such a tool could potentially reduce TAVI complications, reducing morbidity and mortality and allowing for a safer procedure

Robotic-assisted approaches for image-controlled ultrasound procedures

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019A aquisição de imagens de ultrassons (US) é atualmente uma das modalidades de aquisição de imagem mais implementadas no meio médico por diversas razões. Quando comparada a outras modalidades como a tomografia computorizada (CT) e ressonância magnética (MRI), a combinação da sua portabilidade e baixo custo com a possibilidade de adquirir imagens em tempo real resulta numa enorme flexibilidade no que diz respeito às suas aplicações em medicina. Estas aplicações estendem-se desde o simples diagnóstico em ginecologia e obstetrícia, até tarefas que requerem alta precisão como cirurgia guiada por imagem ou mesmo em oncologia na área da braquiterapia. No entanto ao contrário das suas contrapartes devido à natureza do princípio físico da qual decorrem as imagens, a sua qualidade de imagem é altamente dependente da destreza do utilizador para colocar e orientar a sonda de US na região de interesse (ROI) correta, bem como, na sua capacidade de interpretar as imagens obtidas e localizar espacialmente as estruturas no corpo do paciente. De modo para tornar os procedimentos de diagnóstico menos propensos a erros, bem como os procedimentos guiados por imagem mais precisos, o acoplamento desta modalidade de imagem com uma abordagem robótica com controlo baseado na imagem adquirida é cada vez mais comum. Isto permite criar sistemas de diagnóstico e terapia semiautónomos, completamente autónomos ou cooperativos com o seu utilizador. Esta é uma tarefa que requer conhecimento e recursos de múltiplas áreas de conhecimento, incluindo de visão por computador, processamento de imagem e teoria de controlo. Em abordagens deste tipo a sonda de US vai agir como câmara para o interior do corpo do paciente e o processo de controlo vai basear-se em parâmetros tais como, as informações espaciais de uma certa estrutura-alvo presente na imagem adquirida. Estas informações que são extraídos através de vários estágios de processamento de imagem são utilizadas como realimentação no ciclo de controlo do sistema robótico em questão. A extração de informação espacial e controlo devem ser o mais autónomos e céleres possível, de modo a conseguir produzir-se um sistema com a capacidade de atuar em situações que requerem resposta em tempo real. Assim, o objetivo deste projeto foi desenvolver, implementar e validar, em MATLAB, as bases de uma abordagem para o controlo semiautónomo baseado em imagens de um sistema robótico de US e que possibilite o rastreio de estruturas-alvo e a automação de procedimentos de diagnóstico gerais com esta modalidade de imagem. De modo a atingir este objetivo foi assim implementada nesta plataforma, um programa semiautónomo com a capacidade de rastrear contornos em imagens US e capaz de produzir informação relativamente à sua posição e orientação na imagem. Este programa foi desenhado para ser compatível com uma abordagem em tempo real utilizando um sistema de aquisição SONOSITE TITAN, cuja velocidade de aquisição de imagem é de 25 fps. Este programa depende de fortemente de conceitos integrados na área de visão por computador, como computação de momentos e contornos ativos, sendo este último o motor principal da ferramenta de rastreamento. De um modo geral este programa pode ser descrito como uma implementação para rastreamento de contornos baseada em contornos ativos. Este tipo de contornos beneficia de um modelo físico subjacente que o permite ser atraído e convergir para determinadas características da imagem, como linhas, fronteiras, cantos ou regiões específicas, decorrente da minimização de um funcional de energia definido para a sua fronteira. De modo a simplificar e tornar mais célere a sua implementação este modelo dinâmico recorreu à parametrização dos contornos com funções harmónicas, pelo que as suas variáveis de sistema são descritoras de Fourier. Ao basear-se no princípio de menor energia o sistema pode ser encaixado na formulação da mecânica de Euler-Lagrange para sistemas físicos e a partir desta podem extrair-se sistemas de equações diferenciais que descrevem a evolução de um contorno ao longo do tempo. Esta evolução dependente não só da energia interna do contorno em sim, devido às forças de tensão e coesão entre pontos, mas também de forças externas que o vão guiar na imagem. Estas forças externas são determinadas de acordo com a finalidade do contorno e são geralmente derivadas de informação presente na imagem, como intensidades, gradientes e derivadas de ordem superior. Por fim, este sistema é implementado utilizando um método explícito de Euler que nos permite obter uma discretização do sistema em questão e nos proporciona uma expressão iterativa para a evolução do sistema de um estado prévio para um estado futuro que tem em conta os efeitos externos da imagem. Depois de ser implementado o desempenho do programa semiautomático de rastreamento foi validado. Esta validação concentrou-se em duas vertentes: na vertente da robustez do rastreio de contornos quando acoplado a uma sonda de US e na vertente da eficiência temporal do programa e da sua compatibilidade com sistemas de aquisição de imagem em tempo real. Antes de se proceder com a validação este sistema de aquisição foi primeiro calibrado espacialmente de forma simples, utilizando um fantoma de cabos em N contruído em acrílico capaz de produzir padrões reconhecíveis na imagem de ultrassons. Foram utilizados padrões verticais, horizontais e diagonais para calibrar a imagem, para os quais se consegue concluir que os dois primeiros produzem melhores valores para os espaçamentos reais entre pixéis da imagem de US. Finalmente a robustez do programa foi testada utilizando fantomas de 5%(m/m) de agar-agar incrustados com estruturas hipoecogénicas, simuladas por balões de água, construídos especialmente para este propósito. Para este tipo de montagem o programa consegue demonstrar uma estabilidade e robustez satisfatórias para diversos movimentos de translação e rotação da sonda US dentro do plano da imagem e mostrando também resultados promissores de resposta ao alongamento de estruturas, decorrentes de movimentos da sonda de US fora do plano da imagem. A validação da performance temporal do programa foi feita com este a funcionar a solo utilizando vídeos adquiridos na fase anterior para modelos de contornos ativos com diferentes níveis de detalhe. O tempo de computação do algoritmo em cada imagem do vídeo foi medido e a sua média foi calculada. Este valor encontra-se dentro dos níveis previstos, sendo facilmente compatível com a montagem da atual da sonda, cuja taxa de aquisição é 25 fps, atingindo a solo valores na gama entre 40 e 50 fps. Apesar demonstrar uma performance temporal e robustez promissoras esta abordagem possui ainda alguns limites para os quais a ainda não possui solução. Estes limites incluem: o suporte para um sistema rastreamento de contornos múltiplos e em simultâneo para estruturas-alvo mais complexas; a deteção e resolução de eventos topológicos dos contornos, como a fusão, separação e auto-interseção de contornos; a adaptabilidade automática dos parâmetros do sistema de equações para diferentes níveis de ruido da imagem e finalmente a especificidade dos potenciais da imagem para a convergência da abordagem em regiões da imagem que codifiquem tipo de tecidos específicos. Mesmo podendo beneficiar de algumas melhorias este projeto conseguiu atingir o objetivo a que se propôs, proporcionando uma implementação eficiente e robusta para um programa de rastreamento de contornos, permitindo lançar as bases nas quais vai ser futuramente possível trabalhar para finalmente atingir um sistema autónomo de diagnóstico em US. Além disso também demonstrou a utilidade de uma abordagem de contornos ativos para a construção de algoritmos de rastreamento robustos aos movimentos de estruturas-alvo no a imagem e com compatibilidade para abordagens em tempo-real.Ultrasound (US) systems are very popular in the medical field for several reasons. Compared to other imaging techniques such as CT or MRI, the combination of low-priced and portable hardware with realtime image acquisition enables great flexibility regarding medical applications, from simple diagnostics tasks to high precision ones, including those with robotic assistance. Unlike other techniques, the image quality and procedure accuracy are highly dependent on user skills for spatial ultrasound probe positioning and orientation around a region of interest (ROI) for inspection. To make diagnostics less prone to error and guided procedures more precise, and consequently safer, the US approach can be coupled to a robotic system. The probe acts as a camera to the patient body and relevant imaging information can be used to control a robotic arm, enabling the creation of semi-autonomous, cooperative and possibly fully autonomous diagnostics and therapeutics. In this project our aim is to develop a semi-autonomous tool for tracking defined structures of interest within US images, that outputs meaningful spatial information of a target structure (location of the centre of mass [CM], main orientation and elongation). Such tool must accomplish real-time requirements for future use in autonomous image-guided robotic systems. To this end, the concepts of moment-based visual servoing and active contours are fundamental. Active contours possess an underlying physical model allowing deformation according to image information, such as edges, image regions and specific image features. Additionally, the mathematical framework of vision-based control enables us to establish the types of necessary information for controlling a future autonomous system and how such information can be transformed to specify a desired task. Once implemented in MATLAB the tracking and temporal performance of this approach is tested in built agar-agar phantoms embedded with water-filled balloons, for stability demonstration, probe motion robustness in translational and rotational movements, as well as promising capability in responding to target structure deformations. The developed framework is also inside the expected levels, being compatible with a 25 frames per second image acquisition setup. The framework also has a standalone tool capable of dealing with 50 fps. Thus, this work lays the foundation for US guided procedures compatible with real-time approaches in moving and deforming targets

Towards Computer Aided Management of Kidney Disease

Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is the fourth most common cause of kidney transplant worldwide accounting for 7-10% of all cases. Although ADPKD usually progresses over many decades, accurate risk prediction is an important task. Identifying patients with progressive disease is vital to providing new treatments being developed and enable them to enter clinical trials for new therapy. Among other factors, total kidney volume (TKV) is a major biomarker predicting the progression of ADPKD. Consortium for Radiologic Imaging Studies in Polycystic Kidney Disease (CRISP) have shown that TKV is an early, and accurate measure of cystic burden and likely growth rate. It is strongly associated with loss of renal function. While ultrasound (US) has proven as an excellent tool for diagnosing the disease; monitoring short-term changes using ultrasound has been shown to not be accurate. This is attributed to high operator variability and reproducibility as compared to tomographic modalities such as CT and MR (Gold standard). Ultrasound has emerged as one of the standout modalities for intra-procedural imaging and with methods for spatial localization has afforded us the ability to track 2D ultrasound in the physical space in which it is being used. In addition to this, the vast amount of recorded tomographic data can be used to generate statistical shape models that allow us to extract clinical value from archived image sets. Renal volumetry is of great interest in the management of chronic kidney diseases (CKD). In this work, we have implemented a tracked ultrasound system and developed a statistical shape model of the kidney. We utilize the tracked ultrasound to acquire a stack of slices that are able to capture the region of interest, in our case kidney phantoms, and reconstruct 3D volume from spatially localized 2D slices. Approximate shape data is then extracted from this 3D volume using manual segmentation of the organ and a shape model is fit to this data. This generates an instance from the shape model that best represents the scanned phantom and volume calculation is done on this instance. We observe that we can calculate the volume to within 10% error in estimation when compared to the gold standard volume of the phantom

Intraoperative Navigation Systems for Image-Guided Surgery

Recent technological advancements in medical imaging equipment have resulted in a dramatic improvement of image accuracy, now capable of providing useful information previously not available to clinicians. In the surgical context, intraoperative imaging provides a crucial value for the success of the operation. Many nontrivial scientific and technical problems need to be addressed in order to efficiently exploit the different information sources nowadays available in advanced operating rooms. In particular, it is necessary to provide: (i) accurate tracking of surgical instruments, (ii) real-time matching of images from different modalities, and (iii) reliable guidance toward the surgical target. Satisfying all of these requisites is needed to realize effective intraoperative navigation systems for image-guided surgery. Various solutions have been proposed and successfully tested in the field of image navigation systems in the last ten years; nevertheless several problems still arise in most of the applications regarding precision, usability and capabilities of the existing systems. Identifying and solving these issues represents an urgent scientific challenge. This thesis investigates the current state of the art in the field of intraoperative navigation systems, focusing in particular on the challenges related to efficient and effective usage of ultrasound imaging during surgery. The main contribution of this thesis to the state of the art are related to: Techniques for automatic motion compensation and therapy monitoring applied to a novel ultrasound-guided surgical robotic platform in the context of abdominal tumor thermoablation. Novel image-fusion based navigation systems for ultrasound-guided neurosurgery in the context of brain tumor resection, highlighting their applicability as off-line surgical training instruments. The proposed systems, which were designed and developed in the framework of two international research projects, have been tested in real or simulated surgical scenarios, showing promising results toward their application in clinical practice

Automated ultrasound calibration solution for the Ultrasound Fracture Analysis Scanning System

Ultrasound calibration is an essential element for morphometric three-dimensional (3D) ultrasound medical systems that are equipped with two-dimensional (2D) ultrasound probes (transducers). Such systems have a position sensor that measures the position of a transducer in space. These measurements are used to combine 2D ultrasound scans into a 3D volume for further object reconstruction and visualisation. However, spatial transformation between the scan coordinate system and the position sensor transmitter remains unknown. The calibration procedure provides this transformation, normally obtained by scanning a device with known geometrical properties called ultrasound phantom. The accuracy of the calibration transformation directly influences the 3D reconstruction quality, however the accuracy is not the only quality characteristic of a calibration device. Phantoms vary in construction providing different calibration procedures, speed, number and positions of scans, type of calibration landmarks, automatic or manual data acquisition and segmentation, and many other criteria. The calibration method should be chosen individually for every calibrated system and there is no "one for all" solution. In this work we introduce a novel calibration phantom with a custom calibration procedure designed for the UFASS - the Ultrasound Fracture Analysis Scanning System - an automated scanner for orthopaedic diagnostics. Our method is designed to fulfil the calibration objectives of the UFASS which are not fully covered by any of the standard phantoms. Our phantom is based on spherical landmarks chosen for their support of a number of calibration requirements such as automated data acquisition and segmentation, and a variety of scanning positions and orientations. It consists of 12 small balls that centre coordinates must be measured with the ultrasound probe during the calibration procedure. We suggest and successfully implement a novel method to obtain and process the input ultrasound data from the phantom without manual operations from a user. Our method uses the motion controller of the UFASS to sequentially move the ultrasound probe and obtain parallel sphere slices with a small step. The scan corresponding to the central section is found by matching a circle template of the sphere's radius to each image. The image with the highest cross-correlation with the template is the central sphere section and it's circle centre is the sphere's centre. For the UFASS our method outperforms comparable calibration solutions providing the automated data acquisition and landmarks detection procedure, high calibration speed, low calibration error, and requiring no experience and no expert knowledge from the end user performing the calibration