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

iRegNet: Non-rigid Registration of MRI to Interventional US for Brain-Shift Compensation using Convolutional Neural Networks

Accurate and safe neurosurgical intervention can be affected by intra-operative tissue deformation, known as brain-shift. In this study, we propose an automatic, fast, and accurate deformable method, called iRegNet, for registering pre-operative magnetic resonance images to intra-operative ultrasound volumes to compensate for brain-shift. iRegNet is a robust end-to-end deep learning approach for the non-linear registration of MRI-iUS images in the context of image-guided neurosurgery. Pre-operative MRI (as moving image) and iUS (as fixed image) are first appended to our convolutional neural network, after which a non-rigid transformation field is estimated. The MRI image is then transformed using the output displacement field to the iUS coordinate system. Extensive experiments have been conducted on two multi-location databases, which are the BITE and the RESECT. Quantitatively, iRegNet reduced the mean landmark errors from pre-registration value of (4.18 ± 1.84 and 5.35 ± 4.19 mm) to the lowest value of (1.47 ± 0.61 and 0.84 ± 0.16 mm) for the BITE and RESECT datasets, respectively. Additional qualitative validation of this study was conducted by two expert neurosurgeons through overlaying MRI-iUS pairs before and after the deformable registration. Experimental findings show that our proposed iRegNet is fast and achieves state-of-the-art accuracies outperforming state-of-the-art approaches. Furthermore, the proposed iRegNet can deliver competitive results, even in the case of non-trained images as proof of its generality and can therefore be valuable in intra-operative neurosurgical guidance

Brain-shift compensation using intraoperative ultrasound and constraint-based biomechanical simulation

International audiencePurpose. During brain tumor surgery, planning and guidance are based on pre-operative images which do not account for brain-shift. However, this deformation is a major source of error in image-guided neurosurgery and affects the accuracy of the procedure. In this paper, we present a constraint-based biome-chanical simulation method to compensate for craniotomy-induced brain-shift that integrates the deformations of the blood vessels and cortical surface, using a single intraoperative ultrasound acquisition. Methods. Prior to surgery, a patient-specific biomechanical model is built from preoperative images, accounting for the vascular tree in the tumor region and brain soft tissues. Intraoperatively, a navigated ultrasound acquisition is performed directly in contact with the organ. Doppler and B-mode images are recorded simultaneously, enabling the extraction of the blood vessels and probe footprint respectively. A constraint-based simulation is then executed to register the pre-and intraoperative vascular trees as well as the cortical surface with the probe footprint. Finally, preoperative images are updated to provide the surgeon with images corresponding to the current brain shape for navigation. Results. The robustness of our method is first assessed using sparse and noisy synthetic data. In addition, quantitative results for five clinical cases are provided , first using landmarks set on blood vessels, then based on anatomical structures delineated in medical images. The average distances between paired vessels landmarks ranged from 3.51 to 7.32 (in mm) before compensation. With our method, on average 67% of the brain-shift is corrected (range [1.26; 2.33]) against 57% using one of the closest existing works (range [1.71; 2.84]). Finally, our method is proven to be fully compatible with a surgical workflow in terms of execution times and user interactions. Conclusion. In this paper, a new constraint-based biomechanical simulation method is proposed to compensate for craniotomy-induced brain-shift. While being efficient to correct this deformation, the method is fully integrable in a clinical process

Deformation Aware Augmented Reality for Craniotomy using 3D/2D Non-rigid Registration of Cortical Vessels

International audienceIntra-operative brain shift is a well-known phenomenon that describes non-rigid deformation of brain tissues due to gravity and loss of cerebrospinal fluid among other phenomena. This has a negative influence on surgical outcome that is often based on pre-operative planning where the brain shift is not considered. We present a novel brain-shift aware Augmented Reality method to align pre-operative 3D data onto the deformed brain surface viewed through a surgical microscope. We formulate our non-rigid registration as a Shape-from-Template problem. A pre-operative 3D wire-like deformable model is registered onto a single 2D image of the cortical vessels, which is automatically segmented. This 3D/2D registration drives the underlying brain structures, such as tumors, and compensates for the brain shift in sub-cortical regions. We evaluated our approach on simulated and real data composed of 6 patients. It achieved good quantitative and qualitative results making it suitable for neurosurgical guidance

Brain Misalignment Correction Based on Vascular Structures Segmentation in Tumor Surgery using Normalized Gradient Field

A possible treatment of brain tumor consists in a surgery performed by neurosurgeons who open the skull (called craniotomy). By navigating through the brain, they reach the tumor tissues and try to remove the maximum possible. The task is tricky because of the small operation field delimited by the craniotomy, also because of the difficulty to differentiate the brain healthy tissue surrounding the tumor and the brain misalignment that occurs. An additional tool for intraoperative imaging represents therefore a crucial element to guide the navigation through the brain safely and improve the resection task. Based on blood vessels segmentation, we proposed a methodology for the correction of brain displacement during resection. This misalignment of the brain was resolved by using a Normalized Gradient Field (NGF) that allows to register segmented vessels with a good accuracy. After to test our method on data phantom and patient data, the result were validated in an average of 90%

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

Towards efficient neurosurgery: Image analysis for interventional MRI

Interventional magnetic resonance imaging (iMRI) is being increasingly used for performing imageguided neurosurgical procedures. Intermittent imaging through iMRI can help a neurosurgeon visualise the target and eloquent brain areas during neurosurgery and lead to better patient outcome. MRI plays an important role in planning and performing neurosurgical procedures because it can provide highresolution anatomical images that can be used to discriminate between healthy and diseased tissue, as well as identify location and extent of functional areas. This is of significant clinical utility as it helps the surgeons maximise target resection and avoid damage to functionally important brain areas. There is clinical interest in propagating the pre-operative surgical information to the intra-operative image space as this allows the surgeons to utilise the pre-operatively generated surgical plans during surgery. The current state of the art neuronavigation systems achieve this by performing rigid registration of pre-operative and intra-operative images. As the brain undergoes non-linear deformations after craniotomy (brain shift), the rigidly registered pre-operative images do not accurately align anymore with the intra-operative images acquired during surgery. This limits the accuracy of these neuronavigation systems and hampers the surgeon’s ability to perform more aggressive interventions. In addition, intra-operative images are typically of lower quality with susceptibility artefacts inducing severe geometric and intensity distortions around areas of resection in echo planar MRI images, significantly reducing their utility in the intraoperative setting. This thesis focuses on development of novel methods for an image processing workflow that aims to maximise the utility of iMRI in neurosurgery. I present a fast, non-rigid registration algorithm that can leverage information from both structural and diffusion weighted MRI images to localise target lesions and a critical white matter tract, the optic radiation, during surgical management of temporal lobe epilepsy. A novel method for correcting susceptibility artefacts in echo planar MRI images is also developed, which combines fieldmap and image registration based correction techniques. The work developed in this thesis has been validated and successfully integrated into the surgical workflow at the National Hospital for Neurology and Neurosurgery in London and is being clinically used to inform surgical decisions