Pituitary Adenoma Volumetry with 3D Slicer

In this study, we present pituitary adenoma volumetry using the free and open source medical image computing platform for biomedical research: (3D) Slicer. Volumetric changes in cerebral pathologies like pituitary adenomas are a critical factor in treatment decisions by physicians and in general the volume is acquired manually. Therefore, manual slice-by-slice segmentations in magnetic resonance imaging (MRI) data, which have been obtained at regular intervals, are performed. In contrast to this manual time consuming slice-by-slice segmentation process Slicer is an alternative which can be significantly faster and less user intensive. In this contribution, we compare pure manual segmentations of ten pituitary adenomas with semi-automatic segmentations under Slicer. Thus, physicians drew the boundaries completely manually on a slice-by-slice basis and performed a Slicer-enhanced segmentation using the competitive region-growing based module of Slicer named GrowCut. Results showed that the time and user effort required for GrowCut-based segmentations were on average about thirty percent less than the pure manual segmentations. Furthermore, we calculated the Dice Similarity Coefficient (DSC) between the manual and the Slicer-based segmentations to proof that the two are comparable yielding an average DSC of 81.97±3.39%

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Micro-CT of the human ossicular chain: Statistical shape modeling and implications for otologic surgery

The ossicular chain is a middle ear structure consisting of the small incus, malleus and stapes bones, which transmit tympanic membrane vibrations caused by sound to the inner ear. Despite being shown to be highly variable in shape, there are very few morphological studies of the ossicles. The objective of this study was to use a large sample of cadaveric ossicles to create a set of three-dimensional models and study their statistical variance. Thirty-three cadaveric temporal bone samples were scanned using micro-computed tomography (μCT) and segmented. Statistical shape models (SSMs) were then made for each ossicle to demonstrate the divergence of morphological features. Results revealed that ossicles were most likely to vary in overall size, but that more specific feature variability was found at the manubrium of the malleus, the long process and lenticular process of the incus, and the crura and footplate of the stapes. By analyzing samples as whole ossicular chains, it was revealed that when fixed at the malleus, changes along the chain resulted in a wide variety of final stapes positions. This is the first known study to create high-quality, three-dimensional SSMs of the human ossicles. This information can be used to guide otological surgical training and planning, inform ossicular prosthesis development, and assist with other ossicular studies and applications by improving automated segmentation algorithms. All models have been made publicly available

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[ES] El aumento de los procedimientos usando la robótica quirúrgica en la última década demanda un alto número de cirujanos, capaces de teleoperar sistemas avanzados y complejos y, al mismo tiempo, de aprovechar los beneficios de la Cirugía Asistida por Robot de forma segura y efectiva. En la actualidad, los planes de formación se basan en la Realidad Virtual y entornos simulados para lograr un establecimiento escalable, rentable y completo del conjunto de habilidades quirúrgicas robóticas. Este trabajo se centra en el desarrolloo de un una escenario clínico mediante sensores que asistan al ciruajano durante su entrenamiento con el daVinci®, implementados en un entorno físico impreso en 3D. Esta investigación busca la obtención de un modelo segmentado, la impresión 3D del modelo para simular el escenraio clínico real y así abituar al cirujano a la interacción de los órganos y tejidos con el robot; y la implementación de sensores con que asistir al cirjuano en el entrenamiento. Para ello, con el fin de demostrar la eficacia de la asistencia durante los entrenamientos, así como la validez de los ejercicios de la operación simulada se ha realizado un estudio con doce voluntarios.Tanto la asistencia visual como el uso de fantomas 3D muestran ser una alternativa óptima para el aprendizaje de la habilidades requeridas en la cirugía robótica: manifestandose un paso adelante hacia un entrenamiento personlizado para cada cirujano.[EN] The increase of surgical procedures using robotic technology in the last decade demands a high number of surgeons capable of teleoperating advanced and complex systems while safely and effectively taking advantage of Robot-Assisted Surgery benefits. Currently, training plans rely on Virtual Reality and simulated environments to achieve a scalable, cost-effective, and comprehensive establishment of robotic surgical skills. This work focuses on the development of a clinical scenario through sensors that assist the surgeon during their training with the daVinci® system, implemented in a 3D-printed physical environment. This research aims to obtain a segmented model, 3D printing the model to simulate the real clinical scenario, thus familiarizing the surgeon with the interaction of organs and tissues with the robot. Additionally, sensors are implemented to assist the surgeon during training. Therefore, to demonstrate the effectiveness of the assistance during the training sessions and the validity of the exercises in the simulated operation, a study was conducted with twelve volunteers. Both visual assistance and the use of 3D phantoms prove to be an optimal alternative for learning the required skills in robotic surgery, representing a significant step forward towards personalized training for each surgeon.Castillo Rosique, P. (2023). Development sensorized 3D-printed realistic phantom to scale for surgical training with a daVinci robot. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/19804

Explainable Information Retrieval using Deep Learning for Medical images

Image segmentation is useful to extract valuable information for an efficient analysis on the region of interest. Mostly, the number of images generated from a real life situation such as streaming video, is large and not ideal for traditional segmentation with machine learning algorithms. This is due to the following factors (a) numerous image features (b) complex distribution of shapes, colors and textures (c) imbalance data ratio of underlying classes (d) movements of the camera, objects and (e) variations in luminance for site capture. So, we have proposed an efficient deep learning model for image classification and the proof-of-concept has been the case studied on gastrointestinal images for bleeding detection. The Explainable Artificial Intelligence (XAI) module has been utilised to reverse engineer the test results for the impact of features on a given test dataset. The architecture is generally applicable in other areas of image classification. The proposed method has been compared with state-of-the-art including Logistic Regression, Support Vector Machine, Artificial Neural Network and Random Forest. It has reported F1 score of 0.76 on the real world streaming dataset which is comparatively better than traditional methods

4D Non-rigid registration of renal dynamic contrast enhanced MRI data

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Automated Segmentation of Temporal Bone Structures

Mastoidectomy is a challenging surgical procedure that is difficult to perform and practice. As supplementation to current training techniques, surgical simulators have been developed with the ability to visualize and operate on temporal bone anatomy. Medical image segmentation is done to create three-dimensional models of anatomical structures for simulation. Manual segmentation is an accurate but time-consuming process that requires an expert to label each structure on images. An automatic method for segmentation would allow for more practical model creation. The objective of this work was to create an automated segmentation algorithm for structures of the temporal bone relevant to mastoidectomy. The first method explored was multi-atlas based segmentation of the sigmoid sinus which produced accurate and consistent results. In order to segment other structures and improve robustness and accuracy, two convolutional neural networks were compared. The convolutional neural network implementation produced results that were more accurate than previously published work