Learning Deep Similarity Metric for 3D MR-TRUS Registration

Purpose: The fusion of transrectal ultrasound (TRUS) and magnetic resonance (MR) images for guiding targeted prostate biopsy has significantly improved the biopsy yield of aggressive cancers. A key component of MR-TRUS fusion is image registration. However, it is very challenging to obtain a robust automatic MR-TRUS registration due to the large appearance difference between the two imaging modalities. The work presented in this paper aims to tackle this problem by addressing two challenges: (i) the definition of a suitable similarity metric and (ii) the determination of a suitable optimization strategy. Methods: This work proposes the use of a deep convolutional neural network to learn a similarity metric for MR-TRUS registration. We also use a composite optimization strategy that explores the solution space in order to search for a suitable initialization for the second-order optimization of the learned metric. Further, a multi-pass approach is used in order to smooth the metric for optimization. Results: The learned similarity metric outperforms the classical mutual information and also the state-of-the-art MIND feature based methods. The results indicate that the overall registration framework has a large capture range. The proposed deep similarity metric based approach obtained a mean TRE of 3.86mm (with an initial TRE of 16mm) for this challenging problem. Conclusion: A similarity metric that is learned using a deep neural network can be used to assess the quality of any given image registration and can be used in conjunction with the aforementioned optimization framework to perform automatic registration that is robust to poor initialization.Comment: To appear on IJCAR

Augmented Reality-based Feedback for Technician-in-the-loop C-arm Repositioning

Interventional C-arm imaging is crucial to percutaneous orthopedic procedures as it enables the surgeon to monitor the progress of surgery on the anatomy level. Minimally invasive interventions require repeated acquisition of X-ray images from different anatomical views to verify tool placement. Achieving and reproducing these views often comes at the cost of increased surgical time and radiation dose to both patient and staff. This work proposes a marker-free "technician-in-the-loop" Augmented Reality (AR) solution for C-arm repositioning. The X-ray technician operating the C-arm interventionally is equipped with a head-mounted display capable of recording desired C-arm poses in 3D via an integrated infrared sensor. For C-arm repositioning to a particular target view, the recorded C-arm pose is restored as a virtual object and visualized in an AR environment, serving as a perceptual reference for the technician. We conduct experiments in a setting simulating orthopedic trauma surgery. Our proof-of-principle findings indicate that the proposed system can decrease the 2.76 X-ray images required per desired view down to zero, suggesting substantial reductions of radiation dose during C-arm repositioning. The proposed AR solution is a first step towards facilitating communication between the surgeon and the surgical staff, improving the quality of surgical image acquisition, and enabling context-aware guidance for surgery rooms of the future. The concept of technician-in-the-loop design will become relevant to various interventions considering the expected advancements of sensing and wearable computing in the near future

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

NiftyNet: a deep-learning platform for medical imaging

Medical image analysis and computer-assisted intervention problems are increasingly being addressed with deep-learning-based solutions. Established deep-learning platforms are flexible but do not provide specific functionality for medical image analysis and adapting them for this application requires substantial implementation effort. Thus, there has been substantial duplication of effort and incompatible infrastructure developed across many research groups. This work presents the open-source NiftyNet platform for deep learning in medical imaging. The ambition of NiftyNet is to accelerate and simplify the development of these solutions, and to provide a common mechanism for disseminating research outputs for the community to use, adapt and build upon. NiftyNet provides a modular deep-learning pipeline for a range of medical imaging applications including segmentation, regression, image generation and representation learning applications. Components of the NiftyNet pipeline including data loading, data augmentation, network architectures, loss functions and evaluation metrics are tailored to, and take advantage of, the idiosyncracies of medical image analysis and computer-assisted intervention. NiftyNet is built on TensorFlow and supports TensorBoard visualization of 2D and 3D images and computational graphs by default. We present 3 illustrative medical image analysis applications built using NiftyNet: (1) segmentation of multiple abdominal organs from computed tomography; (2) image regression to predict computed tomography attenuation maps from brain magnetic resonance images; and (3) generation of simulated ultrasound images for specified anatomical poses. NiftyNet enables researchers to rapidly develop and distribute deep learning solutions for segmentation, regression, image generation and representation learning applications, or extend the platform to new applications.Comment: Wenqi Li and Eli Gibson contributed equally to this work. M. Jorge Cardoso and Tom Vercauteren contributed equally to this work. 26 pages, 6 figures; Update includes additional applications, updated author list and formatting for journal submissio

Interactive Visualization of Multimodal Brain Connectivity: Applications in Clinical and Cognitive Neuroscience

Magnetic resonance imaging (MRI) has become a readily available prognostic and diagnostic method, providing invaluable information for the clinical treatment of neurological diseases. Multimodal neuroimaging allows integration of complementary data from various aspects such as functional and anatomical properties; thus, it has the potential to overcome the limitations of each individual modality. Specifically, functional and diffusion MRI are two non-invasive neuroimaging techniques customized to capture brain activity and microstructural properties, respectively. Data from these two modalities is inherently complex, and interactive visualization can assist with data comprehension. The current thesis presents the design, development, and validation of visualization and computation approaches that address the need for integration of brain connectivity from functional and structural domains. Two contexts were considered to develop these approaches: neuroscience exploration and minimally invasive neurosurgical planning. The goal was to provide novel visualization algorithms and gain new insights into big and complex data (e.g., brain networks) by visual analytics. This goal was achieved through three steps: 3D Graphical Collision Detection: One of the primary challenges was the timely rendering of grey matter (GM) regions and white matter (WM) fibers based on their 3D spatial maps. This challenge necessitated pre-scanning those objects to generate a memory array containing their intersections with memory units. This process helped faster retrieval of GM and WM virtual models during the user interactions. Neuroscience Enquiry (MultiXplore): A software interface was developed to display and react to user inputs by means of a connectivity matrix. This matrix displays connectivity information and is capable to accept selections from users and display the relevant ones in 3D anatomical view (with associated anatomical elements). In addition, this package can load multiple matrices from dynamic connectivity methods and annotate brain fibers. Neurosurgical Planning (NeuroPathPlan): A computational method was provided to map the network measures to GM and WM; thus, subject-specific eloquence metric can be derived from related resting state networks and used in objective assessment of cortical and subcortical tissue. This metric was later compared to apriori knowledge based decisions from neurosurgeons. Preliminary results show that eloquence metric has significant similarities with expert decisions

Advanced Endoscopic Navigation:Surgical Big Data,Methodology,and Applications

随着科学技术的飞速发展，健康与环境问题日益成为人类面临的最重大问题之一。信息科学、计算机技术、电子工程与生物医学工程等学科的综合应用交叉前沿课题，研究现代工程技术方法，探索肿瘤癌症等疾病早期诊断、治疗和康复手段。本论文综述了计算机辅助微创外科手术导航、多模态医疗大数据、方法论及其临床应用：从引入微创外科手术导航概念出发，介绍了医疗大数据的术前与术中多模态医学成像方法、阐述了先进微创外科手术导航的核心流程包括计算解剖模型、术中实时导航方案、三维可视化方法及交互式软件技术，归纳了各类微创外科手术方法的临床应用。同时，重点讨论了全球各种手术导航技术在临床应用中的优缺点，分析了目前手术导航领域内的最新技术方法。在此基础上，提出了微创外科手术方法正向数字化、个性化、精准化、诊疗一体化、机器人化以及高度智能化的发展趋势。【Abstract】Interventional endoscopy (e.g., bronchoscopy, colonoscopy, laparoscopy, cystoscopy) is a widely performed procedure that involves either diagnosis of suspicious lesions or guidance for minimally invasive surgery in a variety of organs within the body cavity. Endoscopy may also be used to guide the introduction of certain items (e.g., stents) into the body. Endoscopic navigation systems seek to integrate big data with multimodal information (e.g., computed tomography, magnetic resonance images, endoscopic video sequences, ultrasound images, external trackers) relative to the patient's anatomy, control the movement of medical endoscopes and surgical tools, and guide the surgeon's actions during endoscopic interventions. Nevertheless, it remains challenging to realize the next generation of context-aware navigated endoscopy. This review presents a broad survey of various aspects of endoscopic navigation, particularly with respect to the development of endoscopic navigation techniques. First, we investigate big data with multimodal information involved in endoscopic navigation. Next, we focus on numerous methodologies used for endoscopic navigation. We then review different endoscopic procedures in clinical applications. Finally, we discuss novel techniques and promising directions for the development of endoscopic navigation.X.L. acknowledges funding from the Fundamental Research Funds for the Central Universities. T.M.P. acknowledges funding from the Canadian Foundation for Innovation, the Canadian Institutes for Health Research, the National Sciences and Engineering Research Council of Canada, and a grant from Intuitive Surgical Inc

Three-dimensional multimodal medical imaging system based on freehand ultrasound and structured light

We propose a three-dimensional (3D) multimodal medical imaging system that combines freehand ultrasound and structured light 3D reconstruction in a single coordinate system without requiring registration. To the best of our knowledge, these techniques have not been combined as a multimodal imaging technique. The system complements the internal 3D information acquired with ultrasound with the external surface measured with the structured light technique. Moreover, the ultrasound probe’s optical tracking for pose estimation was implemented based on a convolutional neural network. Experimental results show the system’s high accuracy and reproducibility, as well as its potential for preoperative and intraoperative applications. The experimental multimodal error, or the distance from two surfaces obtained with different modalities, was 0.12 m