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

Intraoperative Navigation Systems for Image-Guided Surgery

Recent technological advancements in medical imaging equipment have resulted in a dramatic improvement of image accuracy, now capable of providing useful information previously not available to clinicians. In the surgical context, intraoperative imaging provides a crucial value for the success of the operation. Many nontrivial scientific and technical problems need to be addressed in order to efficiently exploit the different information sources nowadays available in advanced operating rooms. In particular, it is necessary to provide: (i) accurate tracking of surgical instruments, (ii) real-time matching of images from different modalities, and (iii) reliable guidance toward the surgical target. Satisfying all of these requisites is needed to realize effective intraoperative navigation systems for image-guided surgery. Various solutions have been proposed and successfully tested in the field of image navigation systems in the last ten years; nevertheless several problems still arise in most of the applications regarding precision, usability and capabilities of the existing systems. Identifying and solving these issues represents an urgent scientific challenge. This thesis investigates the current state of the art in the field of intraoperative navigation systems, focusing in particular on the challenges related to efficient and effective usage of ultrasound imaging during surgery. The main contribution of this thesis to the state of the art are related to: Techniques for automatic motion compensation and therapy monitoring applied to a novel ultrasound-guided surgical robotic platform in the context of abdominal tumor thermoablation. Novel image-fusion based navigation systems for ultrasound-guided neurosurgery in the context of brain tumor resection, highlighting their applicability as off-line surgical training instruments. The proposed systems, which were designed and developed in the framework of two international research projects, have been tested in real or simulated surgical scenarios, showing promising results toward their application in clinical practice

Tracking and Mapping in Medical Computer Vision: A Review

As computer vision algorithms are becoming more capable, their applications in clinical systems will become more pervasive. These applications include diagnostics such as colonoscopy and bronchoscopy, guiding biopsies and minimally invasive interventions and surgery, automating instrument motion and providing image guidance using pre-operative scans. Many of these applications depend on the specific visual nature of medical scenes and require designing and applying algorithms to perform in this environment. In this review, we provide an update to the field of camera-based tracking and scene mapping in surgery and diagnostics in medical computer vision. We begin with describing our review process, which results in a final list of 515 papers that we cover. We then give a high-level summary of the state of the art and provide relevant background for those who need tracking and mapping for their clinical applications. We then review datasets provided in the field and the clinical needs therein. Then, we delve in depth into the algorithmic side, and summarize recent developments, which should be especially useful for algorithm designers and to those looking to understand the capability of off-the-shelf methods. We focus on algorithms for deformable environments while also reviewing the essential building blocks in rigid tracking and mapping since there is a large amount of crossover in methods. Finally, we discuss the current state of the tracking and mapping methods along with needs for future algorithms, needs for quantification, and the viability of clinical applications in the field. We conclude that new methods need to be designed or combined to support clinical applications in deformable environments, and more focus needs to be put into collecting datasets for training and evaluation.Comment: 31 pages, 17 figure

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

Computerized Analysis of Magnetic Resonance Images to Study Cerebral Anatomy in Developing Neonates

The study of cerebral anatomy in developing neonates is of great importance for the understanding of brain development during the early period of life. This dissertation therefore focuses on three challenges in the modelling of cerebral anatomy in neonates during brain development. The methods that have been developed all use Magnetic Resonance Images (MRI) as source data. To facilitate study of vascular development in the neonatal period, a set of image analysis algorithms are developed to automatically extract and model cerebral vessel trees. The whole process consists of cerebral vessel tracking from automatically placed seed points, vessel tree generation, and vasculature registration and matching. These algorithms have been tested on clinical Time-of- Flight (TOF) MR angiographic datasets. To facilitate study of the neonatal cortex a complete cerebral cortex segmentation and reconstruction pipeline has been developed. Segmentation of the neonatal cortex is not effectively done by existing algorithms designed for the adult brain because the contrast between grey and white matter is reversed. This causes pixels containing tissue mixtures to be incorrectly labelled by conventional methods. The neonatal cortical segmentation method that has been developed is based on a novel expectation-maximization (EM) method with explicit correction for mislabelled partial volume voxels. Based on the resulting cortical segmentation, an implicit surface evolution technique is adopted for the reconstruction of the cortex in neonates. The performance of the method is investigated by performing a detailed landmark study. To facilitate study of cortical development, a cortical surface registration algorithm for aligning the cortical surface is developed. The method first inflates extracted cortical surfaces and then performs a non-rigid surface registration using free-form deformations (FFDs) to remove residual alignment. Validation experiments using data labelled by an expert observer demonstrate that the method can capture local changes and follow the growth of specific sulcus

Towards markerless orthopaedic navigation with intuitive Optical See-through Head-mounted displays

The potential of image-guided orthopaedic navigation to improve surgical outcomes has been well-recognised during the last two decades. According to the tracked pose of target bone, the anatomical information and preoperative plans are updated and displayed to surgeons, so that they can follow the guidance to reach the goal with higher accuracy, efficiency and reproducibility. Despite their success, current orthopaedic navigation systems have two main limitations: for target tracking, artificial markers have to be drilled into the bone and calibrated manually to the bone, which introduces the risk of additional harm to patients and increases operating complexity; for guidance visualisation, surgeons have to shift their attention from the patient to an external 2D monitor, which is disruptive and can be mentally stressful. Motivated by these limitations, this thesis explores the development of an intuitive, compact and reliable navigation system for orthopaedic surgery. To this end, conventional marker-based tracking is replaced by a novel markerless tracking algorithm, and the 2D display is replaced by a 3D holographic Optical see-through (OST) Head-mounted display (HMD) precisely calibrated to a user's perspective. Our markerless tracking, facilitated by a commercial RGBD camera, is achieved through deep learning-based bone segmentation followed by real-time pose registration. For robust segmentation, a new network is designed and efficiently augmented by a synthetic dataset. Our segmentation network outperforms the state-of-the-art regarding occlusion-robustness, device-agnostic behaviour, and target generalisability. For reliable pose registration, a novel Bounded Iterative Closest Point (BICP) workflow is proposed. The improved markerless tracking can achieve a clinically acceptable error of 0.95 deg and 2.17 mm according to a phantom test. OST displays allow ubiquitous enrichment of perceived real world with contextually blended virtual aids through semi-transparent glasses. They have been recognised as a suitable visual tool for surgical assistance, since they do not hinder the surgeon's natural eyesight and require no attention shift or perspective conversion. The OST calibration is crucial to ensure locational-coherent surgical guidance. Current calibration methods are either human error-prone or hardly applicable to commercial devices. To this end, we propose an offline camera-based calibration method that is highly accurate yet easy to implement in commercial products, and an online alignment-based refinement that is user-centric and robust against user error. The proposed methods are proven to be superior to other similar State-of- the-art (SOTA)s regarding calibration convenience and display accuracy. Motivated by the ambition to develop the world's first markerless OST navigation system, we integrated the developed markerless tracking and calibration scheme into a complete navigation workflow designed for femur drilling tasks during knee replacement surgery. We verify the usability of our designed OST system with an experienced orthopaedic surgeon by a cadaver study. Our test validates the potential of the proposed markerless navigation system for surgical assistance, although further improvement is required for clinical acceptance.Open Acces

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