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

Medical image computing and computer-aided medical interventions applied to soft tissues. Work in progress in urology

Until recently, Computer-Aided Medical Interventions (CAMI) and Medical Robotics have focused on rigid and non deformable anatomical structures. Nowadays, special attention is paid to soft tissues, raising complex issues due to their mobility and deformation. Mini-invasive digestive surgery was probably one of the first fields where soft tissues were handled through the development of simulators, tracking of anatomical structures and specific assistance robots. However, other clinical domains, for instance urology, are concerned. Indeed, laparoscopic surgery, new tumour destruction techniques (e.g. HIFU, radiofrequency, or cryoablation), increasingly early detection of cancer, and use of interventional and diagnostic imaging modalities, recently opened new challenges to the urologist and scientists involved in CAMI. This resulted in the last five years in a very significant increase of research and developments of computer-aided urology systems. In this paper, we propose a description of the main problems related to computer-aided diagnostic and therapy of soft tissues and give a survey of the different types of assistance offered to the urologist: robotization, image fusion, surgical navigation. Both research projects and operational industrial systems are discussed

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

Learning Deep Similarity Metric for 3D MR-TRUS Registration

Purpose: The fusion of transrectal ultrasound (TRUS) and magnetic resonance (MR) images for guiding targeted prostate biopsy has significantly improved the biopsy yield of aggressive cancers. A key component of MR-TRUS fusion is image registration. However, it is very challenging to obtain a robust automatic MR-TRUS registration due to the large appearance difference between the two imaging modalities. The work presented in this paper aims to tackle this problem by addressing two challenges: (i) the definition of a suitable similarity metric and (ii) the determination of a suitable optimization strategy. Methods: This work proposes the use of a deep convolutional neural network to learn a similarity metric for MR-TRUS registration. We also use a composite optimization strategy that explores the solution space in order to search for a suitable initialization for the second-order optimization of the learned metric. Further, a multi-pass approach is used in order to smooth the metric for optimization. Results: The learned similarity metric outperforms the classical mutual information and also the state-of-the-art MIND feature based methods. The results indicate that the overall registration framework has a large capture range. The proposed deep similarity metric based approach obtained a mean TRE of 3.86mm (with an initial TRE of 16mm) for this challenging problem. Conclusion: A similarity metric that is learned using a deep neural network can be used to assess the quality of any given image registration and can be used in conjunction with the aforementioned optimization framework to perform automatic registration that is robust to poor initialization.Comment: To appear on IJCAR

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

Usefulness of Intraoperative 2D-Ultrasound in the Resection of Brain Tumors

The surgical approach to brain tumors often uses preoperative images to visualize the characteristics of pathology, guiding the surgical procedure. However, the usefulness of preoperative images during the surgical procedure is altered by the changes in the brain during the surgery because of craniotomy, inflammation, tumor resection, cerebrospinal fluid (CSF) drainage, among others. For this reason, there is a need to use intraoperative imaging evaluation methods that allow the surgeon to consider these changes, reflecting the real-time anatomical disposition of the brain/tumor. Intraoperative ultrasound (iUS) has allowed neurosurgeons to guide the surgical procedure without exposing the patient to ionizing radiation or interrupting the procedure. Technological advances have made it possible to improve image quality, have smaller probes, and facilitate the use of the equipment, in addition to the introduction of new imaging modalities, such as three-dimensional images, enhanced with contrast, among others, expanding the available options. In the context of these advances, the objective of this chapter was to review the current status of the usefulness and challenges of iUS for brain tumor resection through an in-depth review of the literature and the discussion of an illustrative case

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

Intraoperative Imaging Modalities and Compensation for Brain Shift in Tumor Resection Surgery

Intraoperative brain shift during neurosurgical procedures is a well-known phenomenon caused by gravity, tissue manipulation, tumor size, loss of cerebrospinal fluid (CSF), and use of medication. For the use of image-guided systems, this phenomenon greatly affects the accuracy of the guidance. During the last several decades, researchers have investigated how to overcome this problem. The purpose of this paper is to present a review of publications concerning different aspects of intraoperative brain shift especially in a tumor resection surgery such as intraoperative imaging systems, quantification, measurement, modeling, and registration techniques. Clinical experience of using intraoperative imaging modalities, details about registration, and modeling methods in connection with brain shift in tumor resection surgery are the focuses of this review. In total, 126 papers regarding this topic are analyzed in a comprehensive summary and are categorized according to fourteen criteria. The result of the categorization is presented in an interactive web tool. The consequences from the categorization and trends in the future are discussed at the end of this work