GBM Volumetry using the 3D Slicer Medical Image Computing Platform

Volumetric change in glioblastoma multiforme (GBM) over time is a critical factor in treatment decisions. Typically, the tumor volume is computed on a slice-by-slice basis using MRI scans obtained at regular intervals. (3D)Slicer – a free platform for biomedical research – provides an alternative to this manual slice-by-slice segmentation process, which is significantly faster and requires less user interaction. In this study, 4 physicians segmented GBMs in 10 patients, once using the competitive region-growing based GrowCut segmentation module of Slicer, and once purely by drawing boundaries completely manually on a slice-by-slice basis. Furthermore, we provide a variability analysis for three physicians for 12 GBMs. The time required for GrowCut segmentation was on an average 61% of the time required for a pure manual segmentation. A comparison of Slicer-based segmentation with manual slice-by-slice segmentation resulted in a Dice Similarity Coefficient of 88.43 ± 5.23% and a Hausdorff Distance of 2.32 ± 5.23 mm

Quality of Radiomic Features in Glioblastoma Multiforme: Impact of Semi-Automated Tumor Segmentation Software.

ObjectiveThe purpose of this study was to evaluate the reliability and quality of radiomic features in glioblastoma multiforme (GBM) derived from tumor volumes obtained with semi-automated tumor segmentation software.Materials and methodsMR images of 45 GBM patients (29 males, 16 females) were downloaded from The Cancer Imaging Archive, in which post-contrast T1-weighted imaging and fluid-attenuated inversion recovery MR sequences were used. Two raters independently segmented the tumors using two semi-automated segmentation tools (TumorPrism3D and 3D Slicer). Regions of interest corresponding to contrast-enhancing lesion, necrotic portions, and non-enhancing T2 high signal intensity component were segmented for each tumor. A total of 180 imaging features were extracted, and their quality was evaluated in terms of stability, normalized dynamic range (NDR), and redundancy, using intra-class correlation coefficients, cluster consensus, and Rand Statistic.ResultsOur study results showed that most of the radiomic features in GBM were highly stable. Over 90% of 180 features showed good stability (intra-class correlation coefficient [ICC] ≥ 0.8), whereas only 7 features were of poor stability (ICC < 0.5). Most first order statistics and morphometric features showed moderate-to-high NDR (4 > NDR ≥1), while above 35% of the texture features showed poor NDR (< 1). Features were shown to cluster into only 5 groups, indicating that they were highly redundant.ConclusionThe use of semi-automated software tools provided sufficiently reliable tumor segmentation and feature stability; thus helping to overcome the inherent inter-rater and intra-rater variability of user intervention. However, certain aspects of feature quality, including NDR and redundancy, need to be assessed for determination of representative signature features before further development of radiomics

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

Vertebral body segmentation with GrowCut: Initial experience, workflow and practical application

In this contribution, we used the GrowCut segmentation algorithm publicly available in three-dimensional Slicer for three-dimensional segmentation of vertebral bodies. To the best of our knowledge, this is the first time that the GrowCut method has been studied for the usage of vertebral body segmentation. In brief, we found that the GrowCut segmentation times were consistently less than the manual segmentation times. Hence, GrowCut provides an alternative to a manual slice-by-slice segmentation process.Comment: 10 page

'A net for everyone': fully personalized and unsupervised neural networks trained with longitudinal data from a single patient

With the rise in importance of personalized medicine, we trained personalized neural networks to detect tumor progression in longitudinal datasets. The model was evaluated on two datasets with a total of 64 scans from 32 patients diagnosed with glioblastoma multiforme (GBM). Contrast-enhanced T1w sequences of brain magnetic resonance imaging (MRI) images were used in this study. For each patient, we trained their own neural network using just two images from different timepoints. Our approach uses a Wasserstein-GAN (generative adversarial network), an unsupervised network architecture, to map the differences between the two images. Using this map, the change in tumor volume can be evaluated. Due to the combination of data augmentation and the network architecture, co-registration of the two images is not needed. Furthermore, we do not rely on any additional training data, (manual) annotations or pre-training neural networks. The model received an AUC-score of 0.87 for tumor change. We also introduced a modified RANO criteria, for which an accuracy of 66% can be achieved. We show that using data from just one patient can be used to train deep neural networks to monitor tumor change

The LUMIERE dataset: Longitudinal Glioblastoma MRI with expert RANO evaluation.

Publicly available Glioblastoma (GBM) datasets predominantly include pre-operative Magnetic Resonance Imaging (MRI) or contain few follow-up images for each patient. Access to fully longitudinal datasets is critical to advance the refinement of treatment response assessment. We release a single-center longitudinal GBM MRI dataset with expert ratings of selected follow-up studies according to the response assessment in neuro-oncology criteria (RANO). The expert rating includes details about the rationale of the ratings. For a subset of patients, we provide pathology information regarding methylation of the O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) promoter status and isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1), as well as the overall survival time. The data includes T1-weighted pre- and post-contrast, T2-weighted, and fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) MRI. Segmentations from state-of-the-art automated segmentation tools, as well as radiomic features, complement the data. Possible applications of this dataset are radiomics research, the development and validation of automated segmentation methods, and studies on response assessment. This collection includes MRI data of 91 GBM patients with a total of 638 study dates and 2487 images

Computer-aided position planning of miniplates to treat facial bone defects

In this contribution, a software system for computer-aided position planning of miniplates to treat facial bone defects is proposed. The intra-operatively used bone plates have to be passively adapted on the underlying bone contours for adequate bone fragment stabilization. However, this procedure can lead to frequent intra-operatively performed material readjustments especially in complex surgical cases. Our approach is able to fit a selection of common implant models on the surgeon's desired position in a 3D computer model. This happens with respect to the surrounding anatomical structures, always including the possibility of adjusting both the direction and the position of the used osteosynthesis material. By using the proposed software, surgeons are able to pre-plan the out coming implant in its form and morphology with the aid of a computer-visualized model within a few minutes. Further, the resulting model can be stored in STL file format, the commonly used format for 3D printing. Using this technology, surgeons are able to print the virtual generated implant, or create an individually designed bending tool. This method leads to adapted osteosynthesis materials according to the surrounding anatomy and requires further a minimum amount of money and time.Comment: 19 pages, 13 Figures, 2 Table