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

RESECT-SEG: Open access annotations of intra-operative brain tumor ultrasound images

Purpose: Registration and segmentation of magnetic resonance (MR) and ultrasound (US) images play an essential role in surgical planning and resection of brain tumors. However, validating these techniques is challenging due to the scarcity of publicly accessible sources with high-quality ground truth information. To this end, we propose a unique annotation dataset of tumor tissues and resection cavities from the previously published RESECT dataset (Xiao et al. 2017) to encourage a more rigorous assessments of image processing techniques. Acquisition and validation methods: The RESECT database consists of MR and intraoperative US (iUS) images of 23 patients who underwent resection surgeries. The proposed dataset contains tumor tissues and resection cavity annotations of the iUS images. The quality of annotations were validated by two highly experienced neurosurgeons through several assessment criteria. Data format and availability: Annotations of tumor tissues and resection cavities are provided in 3D NIFTI formats. Both sets of annotations are accessible online in the \url{https://osf.io/6y4db}. Discussion and potential applications: The proposed database includes tumor tissue and resection cavity annotations from real-world clinical ultrasound brain images to evaluate segmentation and registration methods. These labels could also be used to train deep learning approaches. Eventually, this dataset should further improve the quality of image guidance in neurosurgery.Comment: Bahareh Behboodi and Francois-Xavier Carton share the first authorshi

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

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

Artificial Intelligence Techniques in Medical Imaging: A Systematic Review

This scientific review presents a comprehensive overview of medical imaging modalities and their diverse applications in artificial intelligence (AI)-based disease classification and segmentation. The paper begins by explaining the fundamental concepts of AI, machine learning (ML), and deep learning (DL). It provides a summary of their different types to establish a solid foundation for the subsequent analysis. The prmary focus of this study is to conduct a systematic review of research articles that examine disease classification and segmentation in different anatomical regions using AI methodologies. The analysis includes a thorough examination of the results reported in each article, extracting important insights and identifying emerging trends. Moreover, the paper critically discusses the challenges encountered during these studies, including issues related to data availability and quality, model generalization, and interpretability. The aim is to provide guidance for optimizing technique selection. The analysis highlights the prominence of hybrid approaches, which seamlessly integrate ML and DL techniques, in achieving effective and relevant results across various disease types. The promising potential of these hybrid models opens up new opportunities for future research in the field of medical diagnosis. Additionally, addressing the challenges posed by the limited availability of annotated medical images through the incorporation of medical image synthesis and transfer learning techniques is identified as a crucial focus for future research efforts

Integrated navigation and visualisation for skull base surgery

Skull base surgery involves the management of tumours located on the underside of the brain and the base of the skull. Skull base tumours are intricately associated with several critical neurovascular structures making surgery challenging and high risk. Vestibular schwannoma (VS) is a benign nerve sheath tumour arising from one of the vestibular nerves and is the commonest pathology encountered in skull base surgery. The goal of modern VS surgery is maximal tumour removal whilst preserving neurological function and maintaining quality of life but despite advanced neurosurgical techniques, facial nerve paralysis remains a potentially devastating complication of this surgery. This thesis describes the development and integration of various advanced navigation and visualisation techniques to increase the precision and accuracy of skull base surgery. A novel Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) acquisition and processing protocol for imaging the facial nerve in patients with VS was developed to improve delineation of facial nerve preoperatively. An automated Artificial Intelligence (AI)-based framework was developed to segment VS from MRI scans. A user-friendly navigation system capable of integrating dMRI and tractography of the facial nerve, 3D tumour segmentation and intraoperative 3D ultrasound was developed and validated using an anatomically-realistic acoustic phantom model of a head including the skull, brain and VS. The optical properties of five types of human brain tumour (meningioma, pituitary adenoma, schwannoma, low- and high-grade glioma) and nine different types of healthy brain tissue were examined across a wavelength spectrum of 400 nm to 800 nm in order to inform the development of an Intraoperative Hypserpectral Imaging (iHSI) system. Finally, functional and technical requirements of an iHSI were established and a prototype system was developed and tested in a first-in-patient study

Dynamic Thermal Imaging for Intraoperative Monitoring of Neuronal Activity and Cortical Perfusion

Neurosurgery is a demanding medical discipline that requires a complex interplay of several neuroimaging techniques. This allows structural as well as functional information to be recovered and then visualized to the surgeon. In the case of tumor resections this approach allows more fine-grained differentiation of healthy and pathological tissue which positively influences the postoperative outcome as well as the patient's quality of life. In this work, we will discuss several approaches to establish thermal imaging as a novel neuroimaging technique to primarily visualize neural activity and perfusion state in case of ischaemic stroke. Both applications require novel methods for data-preprocessing, visualization, pattern recognition as well as regression analysis of intraoperative thermal imaging. Online multimodal integration of preoperative and intraoperative data is accomplished by a 2D-3D image registration and image fusion framework with an average accuracy of 2.46 mm. In navigated surgeries, the proposed framework generally provides all necessary tools to project intraoperative 2D imaging data onto preoperative 3D volumetric datasets like 3D MR or CT imaging. Additionally, a fast machine learning framework for the recognition of cortical NaCl rinsings will be discussed throughout this thesis. Hereby, the standardized quantification of tissue perfusion by means of an approximated heating model can be achieved. Classifying the parameters of these models yields a map of connected areas, for which we have shown that these areas correlate with the demarcation caused by an ischaemic stroke segmented in postoperative CT datasets. Finally, a semiparametric regression model has been developed for intraoperative neural activity monitoring of the somatosensory cortex by somatosensory evoked potentials. These results were correlated with neural activity of optical imaging. We found that thermal imaging yields comparable results, yet doesn't share the limitations of optical imaging. In this thesis we would like to emphasize that thermal imaging depicts a novel and valid tool for both intraoperative functional and structural neuroimaging

Advancements and Breakthroughs in Ultrasound Imaging

Ultrasonic imaging is a powerful diagnostic tool available to medical practitioners, engineers and researchers today. Due to the relative safety, and the non-invasive nature, ultrasonic imaging has become one of the most rapidly advancing technologies. These rapid advances are directly related to the parallel advancements in electronics, computing, and transducer technology together with sophisticated signal processing techniques. This book focuses on state of the art developments in ultrasonic imaging applications and underlying technologies presented by leading practitioners and researchers from many parts of the world