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

Longitudinal Brain Tumor Tracking, Tumor Grading, and Patient Survival Prediction Using MRI

This work aims to develop novel methods for brain tumor classification, longitudinal brain tumor tracking, and patient survival prediction. Consequently, this dissertation proposes three tasks. First, we develop a framework for brain tumor segmentation prediction in longitudinal multimodal magnetic resonance imaging (mMRI) scans, comprising two methods: feature fusion and joint label fusion (JLF). The first method fuses stochastic multi-resolution texture features with tumor cell density features, in order to obtain tumor segmentation predictions in follow-up scans from a baseline pre-operative timepoint. The second method utilizes JLF to combine segmentation labels obtained from (i) the stochastic texture feature-based and Random Forest (RF)-based tumor segmentation method; and (ii) another state-of-the-art tumor growth and segmentation method known as boosted Glioma Image Segmentation and Registration (GLISTRboost, or GB). With the advantages of feature fusion and label fusion, we achieve state-of-the-art brain tumor segmentation prediction. Second, we propose a deep neural network (DNN) learning-based method for brain tumor type and subtype grading using phenotypic and genotypic data, following the World Health Organization (WHO) criteria. In addition, the classification method integrates a cellularity feature which is derived from the morphology of a pathology image to improve classification performance. The proposed method achieves state-of-the-art performance for tumor grading following the new CNS tumor grading criteria. Finally, we investigate brain tumor volume segmentation, tumor subtype classification, and overall patient survival prediction, and then we propose a new context- aware deep learning method, known as the Context Aware Convolutional Neural Network (CANet). Using the proposed method, we participated in the Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge 2019 (BraTS 2019) for brain tumor volume segmentation and overall survival prediction tasks. In addition, we also participated in the Radiology-Pathology Challenge 2019 (CPM-RadPath 2019) for Brain Tumor Subtype Classification, organized by the Medical Image Computing & Computer Assisted Intervention (MICCAI) Society. The online evaluation results show that the proposed methods offer competitive performance from their use of state-of-the-art methods in tumor volume segmentation, promising performance on overall survival prediction, and state-of-the-art performance on tumor subtype classification. Moreover, our result was ranked second place in the testing phase of the CPM-RadPath 2019

M2Net: Multi-modal Multi-channel Network for Overall Survival Time Prediction of Brain Tumor Patients

Early and accurate prediction of overall survival (OS) time can help to obtain better treatment planning for brain tumor patients. Although many OS time prediction methods have been developed and obtain promising results, there are still several issues. First, conventional prediction methods rely on radiomic features at the local lesion area of a magnetic resonance (MR) volume, which may not represent the full image or model complex tumor patterns. Second, different types of scanners (i.e., multi-modal data) are sensitive to different brain regions, which makes it challenging to effectively exploit the complementary information across multiple modalities and also preserve the modality-specific properties. Third, existing methods focus on prediction models, ignoring complex data-to-label relationships. To address the above issues, we propose an end-to-end OS time prediction model; namely, Multi-modal Multi-channel Network (M2Net). Specifically, we first project the 3D MR volume onto 2D images in different directions, which reduces computational costs, while preserving important information and enabling pre-trained models to be transferred from other tasks. Then, we use a modality-specific network to extract implicit and high-level features from different MR scans. A multi-modal shared network is built to fuse these features using a bilinear pooling model, exploiting their correlations to provide complementary information. Finally, we integrate the outputs from each modality-specific network and the multi-modal shared network to generate the final prediction result. Experimental results demonstrate the superiority of our M2Net model over other methods.Comment: Accepted by MICCAI'2

DeepEOR: automated perioperative volumetric assessment of variable grade gliomas using deep learning

PURPOSE Volumetric assessments, such as extent of resection (EOR) or residual tumor volume, are essential criterions in glioma resection surgery. Our goal is to develop and validate segmentation machine learning models for pre- and postoperative magnetic resonance imaging scans, allowing us to assess the percentagewise tumor reduction after intracranial surgery for gliomas. METHODS For the development of the preoperative segmentation model (U-Net), MRI scans of 1053 patients from the Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge (BraTS) 2021 as well as from patients who underwent surgery at the University Hospital in Zurich were used. Subsequently, the model was evaluated on a holdout set containing 285 images from the same sources. The postoperative model was developed using 72 scans and validated on 45 scans obtained from the BraTS 2015 and Zurich dataset. Performance is evaluated using Dice Similarity score, Jaccard coefficient and Hausdorff 95%. RESULTS We were able to achieve an overall mean Dice Similarity Score of 0.59 and 0.29 on the pre- and postoperative holdout sets, respectively. Our algorithm managed to determine correct EOR in 44.1%. CONCLUSION Although our models are not suitable for clinical use at this point, the possible applications are vast, going from automated lesion detection to disease progression evaluation. Precise determination of EOR is a challenging task, but we managed to show that deep learning can provide fast and objective estimates

Magnetic resonance image-based brain tumour segmentation methods : a systematic review

Background: Image segmentation is an essential step in the analysis and subsequent characterisation of brain tumours through magnetic resonance imaging. In the literature, segmentation methods are empowered by open-access magnetic resonance imaging datasets, such as the brain tumour segmentation dataset. Moreover, with the increased use of artificial intelligence methods in medical imaging, access to larger data repositories has become vital in method development. Purpose: To determine what automated brain tumour segmentation techniques can medical imaging specialists and clinicians use to identify tumour components, compared to manual segmentation. Methods: We conducted a systematic review of 572 brain tumour segmentation studies during 2015–2020. We reviewed segmentation techniques using T1-weighted, T2-weighted, gadolinium-enhanced T1-weighted, fluid-attenuated inversion recovery, diffusion-weighted and perfusion-weighted magnetic resonance imaging sequences. Moreover, we assessed physics or mathematics-based methods, deep learning methods, and software-based or semi-automatic methods, as applied to magnetic resonance imaging techniques. Particularly, we synthesised each method as per the utilised magnetic resonance imaging sequences, study population, technical approach (such as deep learning) and performance score measures (such as Dice score). Statistical tests: We compared median Dice score in segmenting the whole tumour, tumour core and enhanced tumour. Results: We found that T1-weighted, gadolinium-enhanced T1-weighted, T2-weighted and fluid-attenuated inversion recovery magnetic resonance imaging are used the most in various segmentation algorithms. However, there is limited use of perfusion-weighted and diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Moreover, we found that the U-Net deep learning technology is cited the most, and has high accuracy (Dice score 0.9) for magnetic resonance imaging-based brain tumour segmentation. Conclusion: U-Net is a promising deep learning technology for magnetic resonance imaging-based brain tumour segmentation. The community should be encouraged to contribute open-access datasets so training, testing and validation of deep learning algorithms can be improved, particularly for diffusion- and perfusion-weighted magnetic resonance imaging, where there are limited datasets available

Federated learning enables big data for rare cancer boundary detection

Although machine learning (ML) has shown promise in numerous domains, there are concerns about generalizability to out-of-sample data. This is currently addressed by centrally sharing ample, and importantly diverse, data from multiple sites. However, such centralization is challenging to scale (or even not feasible) due to various limitations. Federated ML (FL) provides an alternative to train accurate and generalizable ML models, by only sharing numerical model updates. Here we present findings from the largest FL study to-date, involving data from 71 healthcare institutions across 6 continents, to generate an automatic tumor boundary detector for the rare disease of glioblastoma, utilizing the largest dataset of such patients ever used in the literature (25,256 MRI scans from 6,314 patients). We demonstrate a 33% improvement over a publicly trained model to delineate the surgically targetable tumor, and 23% improvement over the tumor's entire extent. We anticipate our study to: 1) enable more studies in healthcare informed by large and diverse data, ensuring meaningful results for rare diseases and underrepresented populations, 2) facilitate further quantitative analyses for glioblastoma via performance optimization of our consensus model for eventual public release, and 3) demonstrate the effectiveness of FL at such scale and task complexity as a paradigm shift for multi-site collaborations, alleviating the need for data sharing

The Multimodal Brain Tumor Image Segmentation Benchmark (BRATS)

In this paper we report the set-up and results of the Multimodal Brain Tumor Image Segmentation Benchmark (BRATS) organized in conjunction with the MICCAI 2012 and 2013 conferences. Twenty state-of-the-art tumor segmentation algorithms were applied to a set of 65 multi-contrast MR scans of low-and high-grade glioma patients-manually annotated by up to four raters-and to 65 comparable scans generated using tumor image simulation software. Quantitative evaluations revealed considerable disagreement between the human raters in segmenting various tumor sub-regions (Dice scores in the range 74%-85%), illustrating the difficulty of this task. We found that different algorithms worked best for different sub-regions (reaching performance comparable to human inter-rater variability), but that no single algorithm ranked in the top for all sub-regions simultaneously. Fusing several good algorithms using a hierarchical majority vote yielded segmentations that consistently ranked above all individual algorithms, indicating remaining opportunities for further methodological improvements. The BRATS image data and manual annotations continue to be publicly available through an online evaluation system as an ongoing benchmarking resource

Segmentation of glioblastomas in early post-operative multi-modal MRI with deep neural networks

Extent of resection after surgery is one of the main prognostic factors for patients diagnosed with glioblastoma. To achieve this, accurate segmentation and classification of residual tumor from post-operative MR images is essential. The current standard method for estimating it is subject to high inter- and intra-rater variability, and an automated method for segmentation of residual tumor in early post-operative MRI could lead to a more accurate estimation of extent of resection. In this study, two state-of-the-art neural network architectures for pre-operative segmentation were trained for the task. The models were extensively validated on a multicenter dataset with nearly 1000 patients, from 12 hospitals in Europe and the United States. The best performance achieved was a 61\% Dice score, and the best classification performance was about 80\% balanced accuracy, with a demonstrated ability to generalize across hospitals. In addition, the segmentation performance of the best models was on par with human expert raters. The predicted segmentations can be used to accurately classify the patients into those with residual tumor, and those with gross total resection.Comment: 13 pages, 4 figures, 4 table