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

Segmentation of pelvic structures from preoperative images for surgical planning and guidance

Prostate cancer is one of the most frequently diagnosed malignancies globally and the second leading cause of cancer-related mortality in males in the developed world. In recent decades, many techniques have been proposed for prostate cancer diagnosis and treatment. With the development of imaging technologies such as CT and MRI, image-guided procedures have become increasingly important as a means to improve clinical outcomes. Analysis of the preoperative images and construction of 3D models prior to treatment would help doctors to better localize and visualize the structures of interest, plan the procedure, diagnose disease and guide the surgery or therapy. This requires efficient and robust medical image analysis and segmentation technologies to be developed. The thesis mainly focuses on the development of segmentation techniques in pelvic MRI for image-guided robotic-assisted laparoscopic radical prostatectomy and external-beam radiation therapy. A fully automated multi-atlas framework is proposed for bony pelvis segmentation in MRI, using the guidance of MRI AE-SDM. With the guidance of the AE-SDM, a multi-atlas segmentation algorithm is used to delineate the bony pelvis in a new \ac{MRI} where there is no CT available. The proposed technique outperforms state-of-the-art algorithms for MRI bony pelvis segmentation. With the SDM of pelvis and its segmented surface, an accurate 3D pelvimetry system is designed and implemented to measure a comprehensive set of pelvic geometric parameters for the examination of the relationship between these parameters and the difficulty of robotic-assisted laparoscopic radical prostatectomy. This system can be used in both manual and automated manner with a user-friendly interface. A fully automated and robust multi-atlas based segmentation has also been developed to delineate the prostate in diagnostic MR scans, which have large variation in both intensity and shape of prostate. Two image analysis techniques are proposed, including patch-based label fusion with local appearance-specific atlases and multi-atlas propagation via a manifold graph on a database of both labeled and unlabeled images when limited labeled atlases are available. The proposed techniques can achieve more robust and accurate segmentation results than other multi-atlas based methods. The seminal vesicles are also an interesting structure for therapy planning, particularly for external-beam radiation therapy. As existing methods fail for the very onerous task of segmenting the seminal vesicles, a multi-atlas learning framework via random decision forests with graph cuts refinement has further been proposed to solve this difficult problem. Motivated by the performance of this technique, I further extend the multi-atlas learning to segment the prostate fully automatically using multispectral (T1 and T2-weighted) MR images via hybrid \ac{RF} classifiers and a multi-image graph cuts technique. The proposed method compares favorably to the previously proposed multi-atlas based prostate segmentation. The work in this thesis covers different techniques for pelvic image segmentation in MRI. These techniques have been continually developed and refined, and their application to different specific problems shows ever more promising results.Open Acces

Artificial intelligence and automation in valvular heart diseases

Artificial intelligence (AI) is gradually changing every aspect of social life, and healthcare is no exception. The clinical procedures that were supposed to, and could previously only be handled by human experts can now be carried out by machines in a more accurate and efficient way. The coming era of big data and the advent of supercomputers provides great opportunities to the development of AI technology for the enhancement of diagnosis and clinical decision-making. This review provides an introduction to AI and highlights its applications in the clinical flow of diagnosing and treating valvular heart diseases (VHDs). More specifically, this review first introduces some key concepts and subareas in AI. Secondly, it discusses the application of AI in heart sound auscultation and medical image analysis for assistance in diagnosing VHDs. Thirdly, it introduces using AI algorithms to identify risk factors and predict mortality of cardiac surgery. This review also describes the state-of-the-art autonomous surgical robots and their roles in cardiac surgery and intervention

Fast catheter segmentation and tracking based on x-ray fluoroscopic and echocardiographic modalities for catheter-based cardiac minimally invasive interventions

X-ray fluoroscopy and echocardiography imaging (ultrasound, US) are two imaging modalities that are widely used in cardiac catheterization. For these modalities, a fast, accurate and stable algorithm for the detection and tracking of catheters is required to allow clinicians to observe the catheter location in real-time. Currently X-ray fluoroscopy is routinely used as the standard modality in catheter ablation interventions. However, it lacks the ability to visualize soft tissue and uses harmful radiation. US does not have these limitations but often contains acoustic artifacts and has a small field of view. These make the detection and tracking of the catheter in US very challenging. The first contribution in this thesis is a framework which combines Kalman filter and discrete optimization for multiple catheter segmentation and tracking in X-ray images. Kalman filter is used to identify the whole catheter from a single point detected on the catheter in the first frame of a sequence of x-ray images. An energy-based formulation is developed that can be used to track the catheters in the following frames. We also propose a discrete optimization for minimizing the energy function in each frame of the X-ray image sequence. Our approach is robust to tangential motion of the catheter and combines the tubular and salient feature measurements into a single robust and efficient framework. The second contribution is an algorithm for catheter extraction in 3D ultrasound images based on (a) the registration between the X-ray and ultrasound images and (b) the segmentation of the catheter in X-ray images. The search space for the catheter extraction in the ultrasound images is constrained to lie on or close to a curved surface in the ultrasound volume. The curved surface corresponds to the back-projection of the extracted catheter from the X-ray image to the ultrasound volume. Blob-like features are detected in the US images and organized in a graphical model. The extracted catheter is modelled as the optimal path in this graphical model. Both contributions allow the use of ultrasound imaging for the improved visualization of soft tissue. However, X-ray imaging is still required for each ultrasound frame and the amount of X-ray exposure has not been reduced. The final contribution in this thesis is a system that can track the catheter in ultrasound volumes automatically without the need for X-ray imaging during the tracking. Instead X-ray imaging is only required for the system initialization and for recovery from tracking failures. This allows a significant reduction in the amount of X-ray exposure for patient and clinicians.Open Acces