On uncertainty propagation in image-guided renal navigation: Exploring uncertainty reduction techniques through simulation and in vitro phantom evaluation

Image-guided interventions (IGIs) entail the use of imaging to augment or replace direct vision during therapeutic interventions, with the overall goal is to provide effective treatment in a less invasive manner, as an alternative to traditional open surgery, while reducing patient trauma and shortening the recovery time post-procedure. IGIs rely on pre-operative images, surgical tracking and localization systems, and intra-operative images to provide correct views of the surgical scene. Pre-operative images are used to generate patient-specific anatomical models that are then registered to the patient using the surgical tracking system, and often complemented with real-time, intra-operative images. IGI systems are subject to uncertainty from several sources, including surgical instrument tracking / localization uncertainty, model-to-patient registration uncertainty, user-induced navigation uncertainty, as well as the uncertainty associated with the calibration of various surgical instruments and intra-operative imaging devices (i.e., laparoscopic camera) instrumented with surgical tracking sensors. All these uncertainties impact the overall targeting accuracy, which represents the error associated with the navigation of a surgical instrument to a specific target to be treated under image guidance provided by the IGI system. Therefore, understanding the overall uncertainty of an IGI system is paramount to the overall outcome of the intervention, as procedure success entails achieving certain accuracy tolerances specific to individual procedures. This work has focused on studying the navigation uncertainty, along with techniques to reduce uncertainty, for an IGI platform dedicated to image-guided renal interventions. We constructed life-size replica patient-specific kidney models from pre-operative images using 3D printing and tissue emulating materials and conducted experiments to characterize the uncertainty of both optical and electromagnetic surgical tracking systems, the uncertainty associated with the virtual model-to-physical phantom registration, as well as the uncertainty associated with live augmented reality (AR) views of the surgical scene achieved by enhancing the pre-procedural model and tracked surgical instrument views with live video views acquires using a camera tracked in real time. To better understand the effects of the tracked instrument calibration, registration fiducial configuration, and tracked camera calibration on the overall navigation uncertainty, we conducted Monte Carlo simulations that enabled us to identify optimal configurations that were subsequently validated experimentally using patient-specific phantoms in the laboratory. To mitigate the inherent accuracy limitations associated with the pre-procedural model-to-patient registration and their effect on the overall navigation, we also demonstrated the use of tracked video imaging to update the registration, enabling us to restore targeting accuracy to within its acceptable range. Lastly, we conducted several validation experiments using patient-specific kidney emulating phantoms using post-procedure CT imaging as reference ground truth to assess the accuracy of AR-guided navigation in the context of in vitro renal interventions. This work helped find answers to key questions about uncertainty propagation in image-guided renal interventions and led to the development of key techniques and tools to help reduce optimize the overall navigation / targeting uncertainty

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

Dense Error Map Estimation for MRI-Ultrasound Registration in Brain Tumor Surgery Using Swin UNETR

Early surgical treatment of brain tumors is crucial in reducing patient mortality rates. However, brain tissue deformation (called brain shift) occurs during the surgery, rendering pre-operative images invalid. As a cost-effective and portable tool, intra-operative ultrasound (iUS) can track brain shift, and accurate MRI-iUS registration techniques can update pre-surgical plans and facilitate the interpretation of iUS. This can boost surgical safety and outcomes by maximizing tumor removal while avoiding eloquent regions. However, manual assessment of MRI-iUS registration results in real-time is difficult and prone to errors due to the 3D nature of the data. Automatic algorithms that can quantify the quality of inter-modal medical image registration outcomes can be highly beneficial. Therefore, we propose a novel deep-learning (DL) based framework with the Swin UNETR to automatically assess 3D-patch-wise dense error maps for MRI-iUS registration in iUS-guided brain tumor resection and show its performance with real clinical data for the first time.Comment: Accepted in IEEE IUS 202

Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

3D shape instantiation for intra-operative navigation from a single 2D projection

Unlike traditional open surgery where surgeons can see the operation area clearly, in robot-assisted Minimally Invasive Surgery (MIS), a surgeon’s view of the region of interest is usually limited. Currently, 2D images from fluoroscopy, Magnetic Resonance Imaging (MRI), endoscopy or ultrasound are used for intra-operative guidance as real-time 3D volumetric acquisition is not always possible due to the acquisition speed or exposure constraints. 3D reconstruction, however, is key to navigation in complex in vivo geometries and can help resolve this issue. Novel 3D shape instantiation schemes are developed in this thesis, which can reconstruct the high-resolution 3D shape of a target from limited 2D views, especially a single 2D projection or slice. To achieve a complete and automatic 3D shape instantiation pipeline, segmentation schemes based on deep learning are also investigated. These include normalization schemes for training U-Nets and network architecture design of Atrous Convolutional Neural Networks (ACNNs). For U-Net normalization, four popular normalization methods are reviewed, then Instance-Layer Normalization (ILN) is proposed. It uses a sigmoid function to linearly weight the feature map after instance normalization and layer normalization, and cascades group normalization after the weighted feature map. Detailed validation results potentially demonstrate the practical advantages of the proposed ILN for effective and robust segmentation of different anatomies. For network architecture design in training Deep Convolutional Neural Networks (DCNNs), the newly proposed ACNN is compared to traditional U-Net where max-pooling and deconvolutional layers are essential. Only convolutional layers are used in the proposed ACNN with different atrous rates and it has been shown that the method is able to provide a fully-covered receptive field with a minimum number of atrous convolutional layers. ACNN enhances the robustness and generalizability of the analysis scheme by cascading multiple atrous blocks. Validation results have shown the proposed method achieves comparable results to the U-Net in terms of medical image segmentation, whilst reducing the trainable parameters, thus improving the convergence and real-time instantiation speed. For 3D shape instantiation of soft and deforming organs during MIS, Sparse Principle Component Analysis (SPCA) has been used to analyse a 3D Statistical Shape Model (SSM) and to determine the most informative scan plane. Synchronized 2D images are then scanned at the most informative scan plane and are expressed in a 2D SSM. Kernel Partial Least Square Regression (KPLSR) has been applied to learn the relationship between the 2D and 3D SSM. It has been shown that the KPLSR-learned model developed in this thesis is able to predict the intra-operative 3D target shape from a single 2D projection or slice, thus permitting real-time 3D navigation. Validation results have shown the intrinsic accuracy achieved and the potential clinical value of the technique. The proposed 3D shape instantiation scheme is further applied to intra-operative stent graft deployment for the robot-assisted treatment of aortic aneurysms. Mathematical modelling is first used to simulate the stent graft characteristics. This is then followed by the Robust Perspective-n-Point (RPnP) method to instantiate the 3D pose of fiducial markers of the graft. Here, Equally-weighted Focal U-Net is proposed with a cross-entropy and an additional focal loss function. Detailed validation has been performed on patient-specific stent grafts with an accuracy between 1-3mm. Finally, the relative merits and potential pitfalls of all the methods developed in this thesis are discussed, followed by potential future research directions and additional challenges that need to be tackled.Open Acces