Alignment of Cortical Vessels viewed through the Surgical Microscope with Preoperative Imaging to Compensate for Brain Shift

International audienceBrain shift is a non-rigid deformation of brain tissue that is affected by loss of cerebrospinal fluid, tissue manipulation and gravity among other phenomena. This deformation can negatively influence the outcome of a surgical procedure since surgical planning based on pre-operative image becomes less valid. We present a novel method to compensate for brain shift that maps preoperative image data to the deformed brain during intra-operative neurosurgical procedures and thus increases the likelihood of achieving a gross total resection while decreasing the risk to healthy tissue surrounding the tumor. Through a 3D/2D non-rigid registration process, a 3D articulated model derived from pre-operative imaging is aligned onto 2D images of the vessels viewed through the surgical miscroscopic intra-operatively. The articulated 3D vessels constrain a volumetric biomechanical model of the brain to propagate cortical vessel deformation to the parenchyma and in turn to the tumor. The 3D/2D non-rigid registration is performed using an energy minimization approach that satisfies both projective and physical constraints. Our method is evaluated on real and synthetic data of human brain showing both quantitative and qualitative results and exhibiting its particular suitability for real-time surgical guidance

A composite hydrogel for brain tissue phantoms

Synthetic phantoms are valuable tools for training, research and development in traditional and computer aided surgery, but complex organs, such as the brain, are difficult to replicate. Here, we present the development of a new composite hydrogel capable of mimicking the mechanical response of brain tissue under loading. Our results demonstrate how the combination of two different hydrogels, whose synergistic interaction results in a highly tunable blend, produces a hybrid material that closely matches the strongly dynamic and non-linear response of brain tissue. The new synthetic material is inexpensive, simple to prepare, and its constitutive components are both widely available and biocompatible. Our investigation of the properties of this engineered tissue, using both small scale testing and life-sized brain phantoms, shows that it is suitable for reproducing the brain shift phenomenon and brain tissue response to indentation and palpation

Intraoperative Imaging Modalities and Compensation for Brain Shift in Tumor Resection Surgery

Intraoperative brain shift during neurosurgical procedures is a well-known phenomenon caused by gravity, tissue manipulation, tumor size, loss of cerebrospinal fluid (CSF), and use of medication. For the use of image-guided systems, this phenomenon greatly affects the accuracy of the guidance. During the last several decades, researchers have investigated how to overcome this problem. The purpose of this paper is to present a review of publications concerning different aspects of intraoperative brain shift especially in a tumor resection surgery such as intraoperative imaging systems, quantification, measurement, modeling, and registration techniques. Clinical experience of using intraoperative imaging modalities, details about registration, and modeling methods in connection with brain shift in tumor resection surgery are the focuses of this review. In total, 126 papers regarding this topic are analyzed in a comprehensive summary and are categorized according to fourteen criteria. The result of the categorization is presented in an interactive web tool. The consequences from the categorization and trends in the future are discussed at the end of this work

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

Pose Estimation and Non-rigid Registration for Augmented Reality during Neurosurgery

International audienceObjective: A craniotomy is the removal of a part of the skull to allow surgeons to have access to the brain and treat tumors. When accessing the brain, a tissue deformation occurs and can negatively influence the surgical procedure outcome. In this work, we present a novel Augmented Reality neurosurgical system to superimpose pre-operative 3D meshes derived from MRI onto a view of the brain surface acquired during surgery. Methods: Our method uses cortical vessels as main features to drive a rigid then non-rigid 3D/2D registration. We first use a feature extractor network to produce probability maps that are fed to a pose estimator network to infer the 6-DoF rigid pose. Then, to account for brain deformation, we add a nonrigid refinement step formulated as a Shape-from-Template problem using physics-based constraints that helps propagate the deformation to sub-cortical level and update tumor location. Results: We tested our method retrospectively on 6 clinical datasets and obtained low pose error, and showed using synthetic dataset that considerable brain shift compensation and low TRE can be achieved at cortical and sub-cortical levels. Conclusion: The results show that our solution achieved accuracy below the actual clinical errors demonstrating the feasibility of practical use of our system. Significance: This work shows that we can provide coherent Augmented Reality visualization of 3D cortical vessels observed through the craniotomy using a single camera view and that cortical vessels provide strong features for performing both rigid and non-rigid registration

Intraoperative tissue classification methods in orthopedic and neurological surgeries: A systematic review

Accurate tissue differentiation during orthopedic and neurological surgeries is critical, given that such surgeries involve operations on or in the vicinity of vital neurovascular structures and erroneous surgical maneuvers can lead to surgical complications. By now, the number of emerging technologies tackling the problem of intraoperative tissue classification methods is increasing. Therefore, this systematic review paper intends to give a general overview of existing technologies. The review was done based on the PRISMA principle and two databases: PubMed and IEEE Xplore. The screening process resulted in 60 full-text papers. The general characteristics of the methodology from extracted papers included data processing pipeline, machine learning methods if applicable, types of tissues that can be identified with them, phantom used to conduct the experiment, and evaluation results. This paper can be useful in identifying the problems in the current status of the state-of-the-art intraoperative tissue classification methods and designing new enhanced techniques

Aligning 3D Curve with Surface Using Tangent and Normal Vectors for Computer-Assisted Orthopedic Surgery

Registration that aligns different views of one interested organ together is an essential technique and outstanding problem in medical robotics and image-guided surgery (IGS). This work introduces a novel rigid point set registration (PSR) approach that aims to accurately map the pre-operative space with the intra-operative space to enable successful image guidance for computer-assisted orthopaedic surgery (CAOS). The normal vectors and tangent vectors are first extracted from the pre-operative and intra-operative point sets (PSs) respectively, and are further utilized to enhance the registration accuracy and robustness. The contributions of this article are three-folds. First, we propose and formulate a novel distribution that describes the error between one normal vector and the corresponding tangent vector based on the von-Mises Fisher (vMF) distribution. Second, by modelling the anisotropic position localization error with the multi-variate Gaussian distribution, we formulate the PSR considering anisotropic localization error as a maximum likelihood estimation (MLE) problem and then solve it under the expectation maximization (EM) framework. Third, to facilitate the optimization process, the gradients of the objective function with respect to the desired parameters are computed and presented. Extensive experimental results on the human femur and pelvis models verify that the proposed approach outperforms the state-of-the-art methods, and demonstrate potential clinical values for relevant surgical navigation applications

Generalised coherent point drift for group-wise multi-dimensional analysis of diffusion brain MRI data

A probabilistic framework for registering generalised point sets comprising multiple voxel-wise data features such as positions, orientations and scalar-valued quantities, is proposed. It is employed for the analysis of magnetic resonance diffusion tensor image (DTI)-derived quantities, such as fractional anisotropy (FA) and fibre orientation, across multiple subjects. A hybrid Student’s t-Watson-Gaussian mixture model-based non-rigid registration framework is formulated for the joint registration and clustering of voxel-wise DTI-derived data, acquired from multiple subjects. The proposed approach jointly estimates the non-rigid transformations necessary to register an unbiased mean template (represented as a 7-dimensional hybrid point set comprising spatial positions, fibre orientations and FA values) to white matter regions of interest (ROIs), and approximates the joint distribution of voxel spatial positions, their associated principal diffusion axes, and FA. Specific white matter ROIs, namely, the corpus callosum and cingulum, are analysed across healthy control (HC) subjects (K = 20 samples) and patients diagnosed with mild cognitive impairment (MCI) (K = 20 samples) or Alzheimer’s disease (AD) (K = 20 samples) using the proposed framework, facilitating inter-group comparisons of FA and fibre orientations. Group-wise analyses of the latter is not afforded by conventional approaches such as tract-based spatial statistics (TBSS) and voxel-based morphometry (VBM)