Confocal Laser Endomicroscopy Image Analysis with Deep Convolutional Neural Networks

abstract: Rapid intraoperative diagnosis of brain tumors is of great importance for planning treatment and guiding the surgeon about the extent of resection. Currently, the standard for the preliminary intraoperative tissue analysis is frozen section biopsy that has major limitations such as tissue freezing and cutting artifacts, sampling errors, lack of immediate interaction between the pathologist and the surgeon, and time consuming. Handheld, portable confocal laser endomicroscopy (CLE) is being explored in neurosurgery for its ability to image histopathological features of tissue at cellular resolution in real time during brain tumor surgery. Over the course of examination of the surgical tumor resection, hundreds to thousands of images may be collected. The high number of images requires significant time and storage load for subsequent reviewing, which motivated several research groups to employ deep convolutional neural networks (DCNNs) to improve its utility during surgery. DCNNs have proven to be useful in natural and medical image analysis tasks such as classification, object detection, and image segmentation. This thesis proposes using DCNNs for analyzing CLE images of brain tumors. Particularly, it explores the practicality of DCNNs in three main tasks. First, off-the shelf DCNNs were used to classify images into diagnostic and non-diagnostic. Further experiments showed that both ensemble modeling and transfer learning improved the classifier’s accuracy in evaluating the diagnostic quality of new images at test stage. Second, a weakly-supervised learning pipeline was developed for localizing key features of diagnostic CLE images from gliomas. Third, image style transfer was used to improve the diagnostic quality of CLE images from glioma tumors by transforming the histology patterns in CLE images of fluorescein sodium-stained tissue into the ones in conventional hematoxylin and eosin-stained tissue slides. These studies suggest that DCNNs are opted for analysis of CLE images. They may assist surgeons in sorting out the non-diagnostic images, highlighting the key regions and enhancing their appearance through pattern transformation in real time. With recent advances in deep learning such as generative adversarial networks and semi-supervised learning, new research directions need to be followed to discover more promises of DCNNs in CLE image analysis.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Neuroscience 201

The Multimodal Brain Tumor Image Segmentation Benchmark (BRATS)

In this paper we report the set-up and results of the Multimodal Brain Tumor Image Segmentation Benchmark (BRATS) organized in conjunction with the MICCAI 2012 and 2013 conferences. Twenty state-of-the-art tumor segmentation algorithms were applied to a set of 65 multi-contrast MR scans of low-and high-grade glioma patients-manually annotated by up to four raters-and to 65 comparable scans generated using tumor image simulation software. Quantitative evaluations revealed considerable disagreement between the human raters in segmenting various tumor sub-regions (Dice scores in the range 74%-85%), illustrating the difficulty of this task. We found that different algorithms worked best for different sub-regions (reaching performance comparable to human inter-rater variability), but that no single algorithm ranked in the top for all sub-regions simultaneously. Fusing several good algorithms using a hierarchical majority vote yielded segmentations that consistently ranked above all individual algorithms, indicating remaining opportunities for further methodological improvements. The BRATS image data and manual annotations continue to be publicly available through an online evaluation system as an ongoing benchmarking resource

3D U-Net Based Brain Tumor Segmentation and Survival Days Prediction

Past few years have witnessed the prevalence of deep learning in many application scenarios, among which is medical image processing. Diagnosis and treatment of brain tumors requires an accurate and reliable segmentation of brain tumors as a prerequisite. However, such work conventionally requires brain surgeons significant amount of time. Computer vision techniques could provide surgeons a relief from the tedious marking procedure. In this paper, a 3D U-net based deep learning model has been trained with the help of brain-wise normalization and patching strategies for the brain tumor segmentation task in the BraTS 2019 competition. Dice coefficients for enhancing tumor, tumor core, and the whole tumor are 0.737, 0.807 and 0.894 respectively on the validation dataset. These three values on the test dataset are 0.778, 0.798 and 0.852. Furthermore, numerical features including ratio of tumor size to brain size and the area of tumor surface as well as age of subjects are extracted from predicted tumor labels and have been used for the overall survival days prediction task. The accuracy could be 0.448 on the validation dataset, and 0.551 on the final test dataset.Comment: Third place award of the 2019 MICCAI BraTS challenge survival task [BraTS 2019](https://www.med.upenn.edu/cbica/brats2019.html

Brainlesion: Glioma, Multiple Sclerosis, Stroke and Traumatic Brain Injuries

This two-volume set LNCS 12962 and 12963 constitutes the thoroughly refereed proceedings of the 7th International MICCAI Brainlesion Workshop, BrainLes 2021, as well as the RSNA-ASNR-MICCAI Brain Tumor Segmentation (BraTS) Challenge, the Federated Tumor Segmentation (FeTS) Challenge, the Cross-Modality Domain Adaptation (CrossMoDA) Challenge, and the challenge on Quantification of Uncertainties in Biomedical Image Quantification (QUBIQ). These were held jointly at the 23rd Medical Image Computing for Computer Assisted Intervention Conference, MICCAI 2020, in September 2021. The 91 revised papers presented in these volumes were selected form 151 submissions. Due to COVID-19 pandemic the conference was held virtually. This is an open access book

Nephroblastoma in MRI Data

The main objective of this work is the mathematical analysis of nephroblastoma in MRI sequences. At the beginning we provide two different datasets for segmentation and classification. Based on the first dataset, we analyze the current clinical practice regarding therapy planning on the basis of annotations of a single radiologist. We can show with our benchmark that this approach is not optimal and that there may be significant differences between human annotators and even radiologists. In addition, we demonstrate that the approximation of the tumor shape currently used is too coarse granular and thus prone to errors. We address this problem and develop a method for interactive segmentation that allows an intuitive and accurate annotation of the tumor. While the first part of this thesis is mainly concerned with the segmentation of Wilms’ tumors, the second part deals with the reliability of diagnosis and the planning of the course of therapy. The second data set we compiled allows us to develop a method that dramatically improves the differential diagnosis between nephroblastoma and its precursor lesion nephroblastomatosis. Finally, we can show that even the standard MRI modality for Wilms’ tumors is sufficient to estimate the developmental tendencies of nephroblastoma under chemotherapy

Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse