Framework for a low-cost intra-operative image-guided neuronavigator including brain shift compensation

In this paper we present a methodology to address the problem of brain tissue deformation referred to as 'brain-shift'. This deformation occurs throughout a neurosurgery intervention and strongly alters the accuracy of the neuronavigation systems used to date in clinical routine which rely solely on pre-operative patient imaging to locate the surgical target, such as a tumour or a functional area. After a general description of the framework of our intra-operative image-guided system, we describe a procedure to generate patient specific finite element meshes of the brain and propose a biomechanical model which can take into account tissue deformations and surgical procedures that modify the brain structure, like tumour or tissue resection

Hacia el modelado 3d de tumores cerebrales mediante endoneurosonografía y redes neuronales

Las cirugías mínimamente invasivas se han vuelto populares debido a que implican menos riesgos con respecto a las intervenciones tradicionales. En neurocirugía, las tendencias recientes sugieren el uso conjunto de la endoscopia y el ultrasonido, técnica llamada endoneurosonografía (ENS), para la virtualización 3D de las estructuras del cerebro en tiempo real. La información ENS se puede utilizar para generar modelos 3D de los tumores del cerebro durante la cirugía. En este trabajo, presentamos una metodología para el modelado 3D de tumores cerebrales con ENS y redes neuronales. Específicamente, se estudió el uso de mapas auto-organizados (SOM) y de redes neuronales tipo gas (NGN). En comparación con otras técnicas, el modelado 3D usando redes neuronales ofrece ventajas debido a que la morfología del tumor se codifica directamente sobre los pesos sinápticos de la red, no requiere ningún conocimiento a priori y la representación puede ser desarrollada en dos etapas: entrenamiento fuera de línea y adaptación en línea. Se realizan pruebas experimentales con maniquíes médicos de tumores cerebrales. Al final del documento, se presentan los resultados del modelado 3D a partir de una base de datos ENS.Minimally invasive surgeries have become popular because they reduce the typical risks of traditional interventions. In neurosurgery, recent trends suggest the combined use of endoscopy and ultrasound (endoneurosonography or ENS) for 3D virtualization of brain structures in real time. The ENS information can be used to generate 3D models of brain tumors during a surgery. This paper introduces a methodology for 3D modeling of brain tumors using ENS and unsupervised neural networks. The use of self-organizing maps (SOM) and neural gas networks (NGN) is particularly studied. Compared to other techniques, 3D modeling using neural networks offers advantages, since tumor morphology is directly encoded in synaptic weights of the network, no a priori knowledge is required, and the representation can be developed in two stages: off-line training and on-line adaptation. Experimental tests were performed using virtualized phantom brain tumors. At the end of the paper, the results of 3D modeling from an ENS database are presented

Computer- and robot-assisted Medical Intervention

Medical robotics includes assistive devices used by the physician in order to make his/her diagnostic or therapeutic practices easier and more efficient. This chapter focuses on such systems. It introduces the general field of Computer-Assisted Medical Interventions, its aims, its different components and describes the place of robots in that context. The evolutions in terms of general design and control paradigms in the development of medical robots are presented and issues specific to that application domain are discussed. A view of existing systems, on-going developments and future trends is given. A case-study is detailed. Other types of robotic help in the medical environment (such as for assisting a handicapped person, for rehabilitation of a patient or for replacement of some damaged/suppressed limbs or organs) are out of the scope of this chapter.Comment: Handbook of Automation, Shimon Nof (Ed.) (2009) 000-00

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

The Essential Role of Open Data and Software for the Future of Ultrasound-Based Neuronavigation

With the recent developments in machine learning and modern graphics processing units (GPUs), there is a marked shift in the way intra-operative ultrasound (iUS) images can be processed and presented during surgery. Real-time processing of images to highlight important anatomical structures combined with in-situ display, has the potential to greatly facilitate the acquisition and interpretation of iUS images when guiding an operation. In order to take full advantage of the recent advances in machine learning, large amounts of high-quality annotated training data are necessary to develop and validate the algorithms. To ensure efficient collection of a sufficient number of patient images and external validity of the models, training data should be collected at several centers by different neurosurgeons, and stored in a standard format directly compatible with the most commonly used machine learning toolkits and libraries. In this paper, we argue that such effort to collect and organize large-scale multi-center datasets should be based on common open source software and databases. We first describe the development of existing open-source ultrasound based neuronavigation systems and how these systems have contributed to enhanced neurosurgical guidance over the last 15 years. We review the impact of the large number of projects worldwide that have benefited from the publicly available datasets “Brain Images of Tumors for Evaluation” (BITE) and “Retrospective evaluation of Cerebral Tumors” (RESECT) that include MR and US data from brain tumor cases. We also describe the need for continuous data collection and how this effort can be organized through the use of a well-adapted and user-friendly open-source software platform that integrates both continually improved guidance and automated data collection functionalities.publishedVersio

iRegNet: Non-rigid Registration of MRI to Interventional US for Brain-Shift Compensation using Convolutional Neural Networks

Accurate and safe neurosurgical intervention can be affected by intra-operative tissue deformation, known as brain-shift. In this study, we propose an automatic, fast, and accurate deformable method, called iRegNet, for registering pre-operative magnetic resonance images to intra-operative ultrasound volumes to compensate for brain-shift. iRegNet is a robust end-to-end deep learning approach for the non-linear registration of MRI-iUS images in the context of image-guided neurosurgery. Pre-operative MRI (as moving image) and iUS (as fixed image) are first appended to our convolutional neural network, after which a non-rigid transformation field is estimated. The MRI image is then transformed using the output displacement field to the iUS coordinate system. Extensive experiments have been conducted on two multi-location databases, which are the BITE and the RESECT. Quantitatively, iRegNet reduced the mean landmark errors from pre-registration value of (4.18 ± 1.84 and 5.35 ± 4.19 mm) to the lowest value of (1.47 ± 0.61 and 0.84 ± 0.16 mm) for the BITE and RESECT datasets, respectively. Additional qualitative validation of this study was conducted by two expert neurosurgeons through overlaying MRI-iUS pairs before and after the deformable registration. Experimental findings show that our proposed iRegNet is fast and achieves state-of-the-art accuracies outperforming state-of-the-art approaches. Furthermore, the proposed iRegNet can deliver competitive results, even in the case of non-trained images as proof of its generality and can therefore be valuable in intra-operative neurosurgical guidance

Automatic finite elements mesh generation from planar contours of the brain: an image driven 'blobby' approach

In this paper, we address the problem of automatic mesh generation for finite elements modeling of anatomical organs for which a volumetric data set is available. In the first step a set of characteristic outlines of the organ is defined manually or automatically within the volume. The outlines define the "key frames" that will guide the procedure of surface reconstruction. Then, based on this information, and along with organ surface curvature information extracted from the volume data, a 3D scalar field is generated. This field allows a 3D reconstruction of the organ: as an iso-surface model, using a marching cubes algorithm; or as a 3D mesh, using a grid "immersion" technique, the field value being used as the outside/inside test. The final reconstruction respects the various topological changes that occur within the organ, such as holes and branching elements

Neurosurgical Ultrasound Pose Estimation Using Image-Based Registration and Sensor Fusion - A Feasibility Study

Modern neurosurgical procedures often rely on computer-assisted real-time guidance using multiple medical imaging modalities. State-of-the-art commercial products enable the fusion of pre-operative with intra-operative images (e.g., magnetic resonance [MR] with ultrasound [US] images), as well as the on-screen visualization of procedures in progress. In so doing, US images can be employed as a template to which pre-operative images can be registered, to correct for anatomical changes, to provide live-image feedback, and consequently to improve confidence when making resection margin decisions near eloquent regions during tumour surgery. In spite of the potential for tracked ultrasound to improve many neurosurgical procedures, it is not widely used. State-of-the-art systems are handicapped by optical tracking’s need for consistent line-of-sight, keeping tracked rigid bodies clean and rigidly fixed, and requiring a calibration workflow. The goal of this work is to improve the value offered by co-registered ultrasound images without the workflow drawbacks of conventional systems. The novel work in this thesis includes: the exploration and development of a GPU-enabled 2D-3D multi-modal registration algorithm based on the existing LC2 metric; and the use of this registration algorithm in the context of a sensor and image-fusion algorithm. The work presented here is a motivating step in a vision towards a heterogeneous tracking framework for image-guided interventions where the knowledge from intraoperative imaging, pre-operative imaging, and (potentially disjoint) wireless sensors in the surgical field are seamlessly integrated for the benefit of the surgeon. The technology described in this thesis, inspired by advances in robot localization demonstrate how inaccurate pose data from disjoint sources can produce a localization system greater than the sum of its parts