Multi Modality Brain Mapping System (MBMS) Using Artificial Intelligence and Pattern Recognition

A Multimodality Brain Mapping System (MBMS), comprising one or more scopes (e.g., microscopes or endoscopes) coupled to one or more processors, wherein the one or more processors obtain training data from one or more first images and/or first data, wherein one or more abnormal regions and one or more normal regions are identified; receive a second image captured by one or more of the scopes at a later time than the one or more first images and/or first data and/or captured using a different imaging technique; and generate, using machine learning trained using the training data, one or more viewable indicators identifying one or abnormalities in the second image, wherein the one or more viewable indicators are generated in real time as the second image is formed. One or more of the scopes display the one or more viewable indicators on the second image

Medical Image Registration: Statistical Models of Performance in Relation to the Statistical Characteristics of the Image Data

For image-guided interventions, the imaging task often pertains to registering preoperative and intraoperative images within a common coordinate system. While the accuracy of the registration is directly tied to the accuracy of targeting in the intervention (and presumably the success of the medical outcome), there is relatively little quantitative understanding of the fundamental factors that govern image registration accuracy. A statistical framework is presented that relates models of image noise and spatial resolution to the task of registration, giving theoretical limits on registration accuracy and providing guidance for the selection of image acquisition and post-processing parameters. The framework is further shown to model the confounding influence of soft-tissue deformation in rigid image registration — accurately predicting the reduction in registration accuracy and revealing similarity metrics that are robust against such effects. Furthermore, the framework is shown to provide conceptual guidance in the development of a novel CT-to-radiograph registration method that accounts for deformation. The work also examines a learning-based method for deformable registration to investigate how the statistical characteristics of the training data affect the ability of the model to generalize to test data with differing statistical characteristics. The analysis provides insight on the benefits of statistically diverse training data in generalizability of a neural network and is further applied to the development of a learning-based MR-to-CT synthesis method. Overall, the work yields a quantitative approach to theoretically and experimentally relate the accuracy of image registration to the statistical characteristics of the image data, providing a rigorous guide to the development of new registration methods

AUGMENTED REALITY AND INTRAOPERATIVE C-ARM CONE-BEAM COMPUTED TOMOGRAPHY FOR IMAGE-GUIDED ROBOTIC SURGERY

Minimally-invasive robotic-assisted surgery is a rapidly-growing alternative to traditionally open and laparoscopic procedures; nevertheless, challenges remain. Standard of care derives surgical strategies from preoperative volumetric data (i.e., computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) images) that benefit from the ability of multiple modalities to delineate different anatomical boundaries. However, preoperative images may not reflect a possibly highly deformed perioperative setup or intraoperative deformation. Additionally, in current clinical practice, the correspondence of preoperative plans to the surgical scene is conducted as a mental exercise; thus, the accuracy of this practice is highly dependent on the surgeon’s experience and therefore subject to inconsistencies. In order to address these fundamental limitations in minimally-invasive robotic surgery, this dissertation combines a high-end robotic C-arm imaging system and a modern robotic surgical platform as an integrated intraoperative image-guided system. We performed deformable registration of preoperative plans to a perioperative cone-beam computed tomography (CBCT), acquired after the patient is positioned for intervention. From the registered surgical plans, we overlaid critical information onto the primary intraoperative visual source, the robotic endoscope, by using augmented reality. Guidance afforded by this system not only uses augmented reality to fuse virtual medical information, but also provides tool localization and other dynamic intraoperative updated behavior in order to present enhanced depth feedback and information to the surgeon. These techniques in guided robotic surgery required a streamlined approach to creating intuitive and effective human-machine interferences, especially in visualization. Our software design principles create an inherently information-driven modular architecture incorporating robotics and intraoperative imaging through augmented reality. The system's performance is evaluated using phantoms and preclinical in-vivo experiments for multiple applications, including transoral robotic surgery, robot-assisted thoracic interventions, and cocheostomy for cochlear implantation. The resulting functionality, proposed architecture, and implemented methodologies can be further generalized to other C-arm-based image guidance for additional extensions in robotic surgery

Augmented reality (AR) for surgical robotic and autonomous systems: State of the art, challenges, and solutions

Despite the substantial progress achieved in the development and integration of augmented reality (AR) in surgical robotic and autonomous systems (RAS), the center of focus in most devices remains on improving end-effector dexterity and precision, as well as improved access to minimally invasive surgeries. This paper aims to provide a systematic review of different types of state-of-the-art surgical robotic platforms while identifying areas for technological improvement. We associate specific control features, such as haptic feedback, sensory stimuli, and human-robot collaboration, with AR technology to perform complex surgical interventions for increased user perception of the augmented world. Current researchers in the field have, for long, faced innumerable issues with low accuracy in tool placement around complex trajectories, pose estimation, and difficulty in depth perception during two-dimensional medical imaging. A number of robots described in this review, such as Novarad and SpineAssist, are analyzed in terms of their hardware features, computer vision systems (such as deep learning algorithms), and the clinical relevance of the literature. We attempt to outline the shortcomings in current optimization algorithms for surgical robots (such as YOLO and LTSM) whilst providing mitigating solutions to internal tool-to-organ collision detection and image reconstruction. The accuracy of results in robot end-effector collisions and reduced occlusion remain promising within the scope of our research, validating the propositions made for the surgical clearance of ever-expanding AR technology in the 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

Research on real-time physics-based deformation for haptic-enabled medical simulation

This study developed a multiple effective visuo-haptic surgical engine to handle a variety of surgical manipulations in real-time. Soft tissue models are based on biomechanical experiment and continuum mechanics for greater accuracy. Such models will increase the realism of future training systems and the VR/AR/MR implementations for the operating room

Coronary Artery Segmentation and Motion Modelling

Conventional coronary artery bypass surgery requires invasive sternotomy and the use of a cardiopulmonary bypass, which leads to long recovery period and has high infectious potential. Totally endoscopic coronary artery bypass (TECAB) surgery based on image guided robotic surgical approaches have been developed to allow the clinicians to conduct the bypass surgery off-pump with only three pin holes incisions in the chest cavity, through which two robotic arms and one stereo endoscopic camera are inserted. However, the restricted field of view of the stereo endoscopic images leads to possible vessel misidentification and coronary artery mis-localization. This results in 20-30% conversion rates from TECAB surgery to the conventional approach. We have constructed patient-specific 3D + time coronary artery and left ventricle motion models from preoperative 4D Computed Tomography Angiography (CTA) scans. Through temporally and spatially aligning this model with the intraoperative endoscopic views of the patient's beating heart, this work assists the surgeon to identify and locate the correct coronaries during the TECAB precedures. Thus this work has the prospect of reducing the conversion rate from TECAB to conventional coronary bypass procedures. This thesis mainly focus on designing segmentation and motion tracking methods of the coronary arteries in order to build pre-operative patient-specific motion models. Various vessel centreline extraction and lumen segmentation algorithms are presented, including intensity based approaches, geometric model matching method and morphology-based method. A probabilistic atlas of the coronary arteries is formed from a group of subjects to facilitate the vascular segmentation and registration procedures. Non-rigid registration framework based on a free-form deformation model and multi-level multi-channel large deformation diffeomorphic metric mapping are proposed to track the coronary motion. The methods are applied to 4D CTA images acquired from various groups of patients and quantitatively evaluated