Three-dimensional ultrasound scanning

The past two decades have witnessed developments of new imaging techniques that provide three-dimensional images about the interior of the human body in a manner never before available. Ultrasound (US) imaging is an important cost-effective technique used routinely in the management of a number of diseases. However, two-dimensional viewing of three-dimensional anatomy, using conventional two-dimensional US, limits our ability to quantify and visualize the anatomy and guide therapy, because multiple two-dimensional images must be integrated mentally. This practice is inefficient, and may lead to variability and incorrect diagnoses. Investigators and companies have addressed these limitations by developing three-dimensional US techniques. Thus, in this paper, we review the various techniques that are in current use in three-dimensional US imaging systems, with a particular emphasis placed on the geometric accuracy of the generation of three-dimensional images. The principles involved in three-dimensional US imaging are then illustrated with a diagnostic and an interventional application: (i) three-dimensional carotid US imaging for quantification and monitoring of carotid atherosclerosis and (ii) three-dimensional US-guided prostate biopsy

Augmented reality technology in image-guided therapy: State-of-the-art review.

Image-guided therapies have been on the rise in recent years as they can achieve higher accuracy and are less invasive than traditional methods. By combining augmented reality technology with image-guided therapy, more organs, and tissues can be observed by surgeons to improve surgical accuracy. In this review, 233 publications (dated from 2015 to 2020) on the design and application of augmented reality-based systems for image-guided therapy, including both research prototypes and commercial products, were considered for review. Based on their functions and applications. Sixteen studies were selected. The engineering specifications and applications were analyzed and summarized for each study. Finally, future directions and existing challenges in the field were summarized and discussed

Shape-driven segmentation of the arterial wall in intravascular ultrasound images

Segmentation of arterial wall boundaries from intravascular images is an important problem for many applications in the study of plaque characteristics, mechanical properties of the arterial wall, its 3D reconstruction, and its measurements such as lumen size, lumen radius, and wall radius. We present a shape-driven approach to segmentation of the arterial wall from intravascular ultrasound images in the rectangular domain. In a properly built shape space using training data, we constrain the lumen and media-adventitia contours to a smooth, closed geometry, which increases the segmentation quality without any tradeoff with a regularizer term. In addition to a shape prior, we utilize an intensity prior through a non-parametric probability density based image energy, with global image measurements rather than pointwise measurements used in previous methods. Furthermore, a detection step is included to address the challenges introduced to the segmentation process by side branches and calcifications. All these features greatly enhance our segmentation method. The tests of our algorithm on a large dataset demonstrate the effectiveness of our approach

Virtual and Augmented Reality Techniques for Minimally Invasive Cardiac Interventions: Concept, Design, Evaluation and Pre-clinical Implementation

While less invasive techniques have been employed for some procedures, most intracardiac interventions are still performed under cardiopulmonary bypass, on the drained, arrested heart. The progress toward off-pump intracardiac interventions has been hampered by the lack of adequate visualization inside the beating heart. This thesis describes the development, assessment, and pre-clinical implementation of a mixed reality environment that integrates pre-operative imaging and modeling with surgical tracking technologies and real-time ultrasound imaging. The intra-operative echo images are augmented with pre-operative representations of the cardiac anatomy and virtual models of the delivery instruments tracked in real time using magnetic tracking technologies. As a result, the otherwise context-less images can now be interpreted within the anatomical context provided by the anatomical models. The virtual models assist the user with the tool-to-target navigation, while real-time ultrasound ensures accurate positioning of the tool on target, providing the surgeon with sufficient information to ``see\u27\u27 and manipulate instruments in absence of direct vision. Several pre-clinical acute evaluation studies have been conducted in vivo on swine models to assess the feasibility of the proposed environment in a clinical context. Following direct access inside the beating heart using the UCI, the proposed mixed reality environment was used to provide the necessary visualization and navigation to position a prosthetic mitral valve on the the native annulus, or to place a repair patch on a created septal defect in vivo in porcine models. Following further development and seamless integration into the clinical workflow, we hope that the proposed mixed reality guidance environment may become a significant milestone toward enabling minimally invasive therapy on the beating heart

Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

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

Augmented Image-Guidance for Transcatheter Aortic Valve Implantation

The introduction of transcatheter aortic valve implantation (TAVI), an innovative stent-based technique for delivery of a bioprosthetic valve, has resulted in a paradigm shift in treatment options for elderly patients with aortic stenosis. While there have been major advancements in valve design and access routes, TAVI still relies largely on single-plane fluoroscopy for intraoperative navigation and guidance, which provides only gross imaging of anatomical structures. Inadequate imaging leading to suboptimal valve positioning contributes to many of the early complications experienced by TAVI patients, including valve embolism, coronary ostia obstruction, paravalvular leak, heart block, and secondary nephrotoxicity from contrast use. A potential method of providing improved image-guidance for TAVI is to combine the information derived from intra-operative fluoroscopy and TEE with pre-operative CT data. This would allow the 3D anatomy of the aortic root to be visualized along with real-time information about valve and prosthesis motion. The combined information can be visualized as a `merged\u27 image where the different imaging modalities are overlaid upon each other, or as an `augmented\u27 image, where the location of key target features identified on one image are displayed on a different imaging modality. This research develops image registration techniques to bring fluoroscopy, TEE, and CT models into a common coordinate frame with an image processing workflow that is compatible with the TAVI procedure. The techniques are designed to be fast enough to allow for real-time image fusion and visualization during the procedure, with an intra-procedural set-up requiring only a few minutes. TEE to fluoroscopy registration was achieved using a single-perspective TEE probe pose estimation technique. The alignment of CT and TEE images was achieved using custom-designed algorithms to extract aortic root contours from XPlane TEE images, and matching the shape of these contours to a CT-derived surface model. Registration accuracy was assessed on porcine and human images by identifying targets (such as guidewires or coronary ostia) on the different imaging modalities and measuring the correspondence of these targets after registration. The merged images demonstrated good visual alignment of aortic root structures, and quantitative assessment measured an accuracy of less than 1.5mm error for TEE-fluoroscopy registration and less than 6mm error for CT-TEE registration. These results suggest that the image processing techniques presented have potential for development into a clinical tool to guide TAVI. Such a tool could potentially reduce TAVI complications, reducing morbidity and mortality and allowing for a safer procedure

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

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