Interactive patient-customized curvilinear reformatting for improving neurosurgical planning

PurposeVisualizing a brain in its native space plays an essential role during neurosurgical planning because it allows the superficial cerebral veins and surrounding regions to be preserved. This paper describes the use of a visualization tool in which single gadolinium contrast-enhanced T1-weighted magnetic resonance imaging was applied in nondefective and nonresective skulls to promote visualization of important structures.MethodsA curvilinear reformatting tool was applied on the supratentorial compartment to peel the tissues to the depth of the dura mater and thereby revealing cortical and vascular spatial relationships. The major advantage of our proposed tool is that it does not require coregistration of anatomical and vascular volumes.ResultsThe reliability of this technique was supported by comparisons between preoperative images and digital photographs of the brain cortical surface obtained after the dura mater was removed in 20 patients who underwent surgery in the Clinics Hospital of the University of Campinas from January 2017 to April 2018.ConclusionSingle fat-suppressed GAD contrast-enhanced T1-weighted magnetic resonance scans provide accurate preoperative 3D views of cortical and vascular relationships similar to neurosurgeons' intraoperative views. In developing countries with limited access to state-of-the-art health technologies, this imaging approach may improve the safety of complex neurosurgeries145851859CNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa Do Estado De São Paulo305785/2012-5; 308764/2015-3; 165777/2014-12011/02351-0; 2013/07559-3We would like to acknowledge Alisson V. S. Lima for helping with the exhaustive validation tests. This study was supported by a CNPq-Brazil fellowship (305785/2012-5, 308764/2015-3), a CNPq-Brazil scholarship (165777/2014-1), a Fapesp Individual Project Grant (#2011/02351-0), a Fapesp-Brazil Grant (#2013/07559-3) to the BRAINN Research, Innovation and Dissemination Center of the University of Campinas, and a SAE-Unicamp scholarshi

Visual analytics of magnetic resonance images for supporting detection of cortical lesions and preoperative location of anatomical landmarks

Orientadores: Shin-Ting Wu, Clarissa Lin YasudaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Com o aumento da qualidade das neuroimagens estruturais torna-se possível uma investigação detalhada da neuroanatomia. Contudo, a utilização de ferramentas computacionais que ajudem no realce e na exploração de neuroimagens ainda é de extrema importância para a identificação de lesões corticais e para a localização pré-operatória de referências anatômicas. A reformatação curvilínea e o janelamento (windowing) são dois exemplos. A reformatação curvilínea permite refatiar curvilinearmente um volume reconstruído a partir de uma imagem 3D e o janelamento, alterar o brilho e o contraste das neuroimagens. No estado da arte, os métodos de reformatação curvilínea são aplicados no diagnóstico para propiciar uma melhor visualização dos giros e sulcos cerebrais, já o janelamento está presente em diversos aplicativos de renderização de neuroimagens por facilitar ajustes interativos dos parâmetros de renderização à percepção subjetiva. Este trabalho foi motivado pela nossa hipótese da existência de uma correspondência entre a neuroanatomia e os padrões de sinais em imagens de ressonância magnética ponderadas em T1 e do potencial uso deste conhecimento no aprimoramento das ferramentas já existentes. Mostramos como essa correspondência pode ser usada para caracterizar estruturas neuroanatômicas que possibilitam a construção de um algoritmo capaz de localizar a região das meninges e de estimar medidas estatísticas, como a média e o desvio-padrão, da substância cinzenta e branca de um cérebro. Uma vez que a reformatação curvilínea é realizada com preservação das meninges, a técnica se torna útil na localização pré-operatória de referências anatômicas (como as estruturas vasculares), para preservação de áreas eloquentes durante uma intervenção cirúrgica. Uma nova forma de janelamento baseada na correspondência identificada pode também realçar a interface substância cinzenta¿branca e, consequentemente, revelar lesões sutis. A análise visual com uso das ferramentas em conjunto se mostrou útil no suporte à localização de lesões corticais e na exposição pré-operatória dos marcadores fiduciais intra-operatórios em imagens anatômicas com contrasteAbstract: As the quality of structural neuroimage improves, a more accurate neuroanatomy investiga- tion becomes feasible. However, computational tools to aid in the enhancement and explo- ration of these neuroimages are still extremely useful for the identification of subtle cortical lesions and pre-operative localization of anatomical landmarks. Curvilinear reformatting and windowing are two examples. Curvilinear reformatting allows reslicing curvilinearly a volume reconstructued from a 3D image, while windowing allows changing the brightness and the contrast of neuroimages. In the current state-of-the-art, curvilinear reformatting is applied to diagnosis for providing a better visualization of complex cerebral cortical folding patterns, and the windowing is used in medical visualization software for facilitating fine adjustments of rendering parameters according to the subjective perception. This work was driven by the hypothesis that there would be a correspondence between the neuroanatomy and the signal patterns from T1-weighted magnetic resonance images, and that the knowledge of this cor- respondence might improve the existing tools. We showed how this correspondence could be used to characterize the anatomical structures that made possible the design of an algorithm for locating the neighborhood of meninges and for computing the statistical measures, such as mean and standard deviation, of grey and white matter. Assuring that the curvilinear reformatting can be performed preserving the meninges, the technique is useful to preopera- tively localize the anatomical landmarks , such as superficial veins. A new way of windowing based on our finding of the neuroanatomy¿imaging signal correspondence can enhance the interface between gray matter and white matter and reveal subtle lesions. Visual analytics using both tools has proven to be helpful in supporting the localization of cortical lesions and in revealing preoperatively the intraoperative fiducial landmarks, such as superficial veins, on contrast-enhanced anatomical imagesDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétrica165777/2014-1CNP