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

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

Towards efficient neurosurgery: Image analysis for interventional MRI

Interventional magnetic resonance imaging (iMRI) is being increasingly used for performing imageguided neurosurgical procedures. Intermittent imaging through iMRI can help a neurosurgeon visualise the target and eloquent brain areas during neurosurgery and lead to better patient outcome. MRI plays an important role in planning and performing neurosurgical procedures because it can provide highresolution anatomical images that can be used to discriminate between healthy and diseased tissue, as well as identify location and extent of functional areas. This is of significant clinical utility as it helps the surgeons maximise target resection and avoid damage to functionally important brain areas. There is clinical interest in propagating the pre-operative surgical information to the intra-operative image space as this allows the surgeons to utilise the pre-operatively generated surgical plans during surgery. The current state of the art neuronavigation systems achieve this by performing rigid registration of pre-operative and intra-operative images. As the brain undergoes non-linear deformations after craniotomy (brain shift), the rigidly registered pre-operative images do not accurately align anymore with the intra-operative images acquired during surgery. This limits the accuracy of these neuronavigation systems and hampers the surgeon’s ability to perform more aggressive interventions. In addition, intra-operative images are typically of lower quality with susceptibility artefacts inducing severe geometric and intensity distortions around areas of resection in echo planar MRI images, significantly reducing their utility in the intraoperative setting. This thesis focuses on development of novel methods for an image processing workflow that aims to maximise the utility of iMRI in neurosurgery. I present a fast, non-rigid registration algorithm that can leverage information from both structural and diffusion weighted MRI images to localise target lesions and a critical white matter tract, the optic radiation, during surgical management of temporal lobe epilepsy. A novel method for correcting susceptibility artefacts in echo planar MRI images is also developed, which combines fieldmap and image registration based correction techniques. The work developed in this thesis has been validated and successfully integrated into the surgical workflow at the National Hospital for Neurology and Neurosurgery in London and is being clinically used to inform surgical decisions

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

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

Novel techniques for registration of multimodal medical images

Medical image registration is a critical image processing task in many applications such as image-guided surgery (IGS) and image-guided radiotherapy. Herein, a novel automatic inter-modal affine registration technique is proposed based on the correlation ratio (CR) similarity metric firstly. The technique is demonstrated through registering intra-operative ultrasound (US) scans with magnetic resonance (MR) images of 22 patients from a publicly available database. By using landmark-based mean target registration errors (mTRE) for evaluation, the technique has achieved a result of 2.79$\pm$1.13 mm from an initial value of 5.40$\pm$4.31 mm. A nonparametric statistical analysis performed using the Wilcoxon rank sum test shows that there is a significant difference between pre- and post-registration mTREs with a $p$-value of $0.0058$. To achieve this result, the MRI was deemed as the fix image ($I_f$) and the US as the moving image ($I_m$) and then $I_m$ was transformed to align with $I_f$. Covariance matrix adaptation evolutionary strategy (CMA-ES) was utilized to find the optimal affine transformation in registration of $I_m$ to $I_f$. In addition to quantitative validation using mTRE, the results were validated qualitatively by overlaying pre- and post-registration US and MRI to allow visual assessment of the alignment. The proposed fully automatic registration method significantly improved the alignment of MRI and US images and can therefore be used to aid neurosurgeons in resection of brain tumors. In addition to proposing new methods for registration of US and MRI, three different datasets of corresponding CT and US images of vertebrae were collected and presented. In the first dataset, two human patients’ lumbar vertebrae are presented and the US images are simulated from the CT images. The second dataset includes corresponding CT and US images of a phantom, made of post-mortem canine cervical and thoracic vertebrae. The third dataset includes the CT and US images of a lamb’s lumbar vertebrae. For the two latter datasets, 15 corresponding landmarks were provided and fiducial registration of the corresponding images was performed to acquire a silver standard ground truth of the registration. This dataset will be released online to allow validation of US-CT registration techniques