Effective Semantic Segmentation in Cataract Surgery: What Matters Most?

Our work proposes neural network design choices that set the state-of-the-art on a challenging public benchmark on cataract surgery, CaDIS. Our methodology achieves strong performance across three semantic segmentation tasks with increasingly granular surgical tool class sets by effectively handling class imbalance, an inherent challenge in any surgical video. We consider and evaluate two conceptually simple data oversampling methods as well as different loss functions. We show significant performance gains across network architectures and tasks especially on the rarest tool classes, thereby presenting an approach for achieving high performance when imbalanced granular datasets are considered. Our code and trained models are available at https://github.com/RViMLab/MICCAI2021_Cataract_semantic_segmentation and qualitative results on unseen surgical video can be found at https://youtu.be/twVIPUj1WZM

Phase-Specific Augmented Reality Guidance for Microscopic Cataract Surgery Using Long-Short Spatiotemporal Aggregation Transformer

Phacoemulsification cataract surgery (PCS) is a routine procedure conducted using a surgical microscope, heavily reliant on the skill of the ophthalmologist. While existing PCS guidance systems extract valuable information from surgical microscopic videos to enhance intraoperative proficiency, they suffer from non-phasespecific guidance, leading to redundant visual information. In this study, our major contribution is the development of a novel phase-specific augmented reality (AR) guidance system, which offers tailored AR information corresponding to the recognized surgical phase. Leveraging the inherent quasi-standardized nature of PCS procedures, we propose a two-stage surgical microscopic video recognition network. In the first stage, we implement a multi-task learning structure to segment the surgical limbus region and extract limbus region-focused spatial feature for each frame. In the second stage, we propose the long-short spatiotemporal aggregation transformer (LS-SAT) network to model local fine-grained and global temporal relationships, and combine the extracted spatial features to recognize the current surgical phase. Additionally, we collaborate closely with ophthalmologists to design AR visual cues by utilizing techniques such as limbus ellipse fitting and regional restricted normal cross-correlation rotation computation. We evaluated the network on publicly available and in-house datasets, with comparison results demonstrating its superior performance compared to related works. Ablation results further validated the effectiveness of the limbus region-focused spatial feature extractor and the combination of temporal features. Furthermore, the developed system was evaluated in a clinical setup, with results indicating remarkable accuracy and real-time performance. underscoring its potential for clinical applications

Pixel-level semantic understanding of ophthalmic images and beyond

Computer-assisted semantic image understanding constitutes the substrate of applications that range from biomarker detection to intraoperative guidance or street scene understanding for self-driving systems. This PhD thesis is on the development of deep learning-based, pixel-level, semantic segmentation methods for medical and natural images. For vessel segmentation in OCT-A, a method comprising iterative refinement of the extracted vessel maps and an auxiliary loss function that penalizes structural inaccuracies, is proposed and tested on data captured from real clinical conditions comprising various pathological cases. Ultimately, the presented method enables the extraction of a detailed vessel map of the retina with potential applications to diagnostics or intraoperative localization. Furthermore, for scene segmentation in cataract surgery, the major challenge of class imbalance is identified among several factors. Subsequently, a method addressing it is proposed, achieving state-of-the-art performance on a challenging public dataset. Accurate semantic segmentation in this domain can be used to monitor interactions between tools and anatomical parts for intraoperative guidance and safety. Finally, this thesis proposes a novel contrastive learning framework for supervised semantic segmentation, that aims to improve the discriminative power of features in deep neural networks. The proposed approach leverages contrastive loss function applied both at multiple model layers and across them. Importantly, the proposed framework is easy to combine with various model architectures and is experimentally shown to significantly improve performance on both natural and medical domain

Kontextsensitivität für den Operationssaal der Zukunft

The operating room of the future is a topic of high interest. In this thesis, which is among the first in the recently defined field of Surgical Data Science, three major topics for automated context awareness in the OR of the future will be examined: improved surgical workflow analysis, the newly developed event impact factors, and as application combining these and other concepts the unified surgical display.Der Operationssaal der Zukunft ist ein Forschungsfeld von großer Bedeutung. In dieser Dissertation, die eine der ersten im kürzlich definierten Bereich „Surgical Data Science“ ist, werden drei Themen für die automatisierte Kontextsensitivität im OP der Zukunft untersucht: verbesserte chirurgische Worflowanalyse, die neuentwickelten „Event Impact Factors“ und als Anwendungsfall, der diese Konzepte mit anderen kombiniert, das vereinheitlichte chirurgische Display

Kontextsensitivität für den Operationssaal der Zukunft

The operating room of the future is a topic of high interest. In this thesis, which is among the first in the recently defined field of Surgical Data Science, three major topics for automated context awareness in the OR of the future will be examined: improved surgical workflow analysis, the newly developed event impact factors, and as application combining these and other concepts the unified surgical display.Der Operationssaal der Zukunft ist ein Forschungsfeld von großer Bedeutung. In dieser Dissertation, die eine der ersten im kürzlich definierten Bereich „Surgical Data Science“ ist, werden drei Themen für die automatisierte Kontextsensitivität im OP der Zukunft untersucht: verbesserte chirurgische Worflowanalyse, die neuentwickelten „Event Impact Factors“ und als Anwendungsfall, der diese Konzepte mit anderen kombiniert, das vereinheitlichte chirurgische Display

Visionary Ophthalmics: Confluence of Computer Vision and Deep Learning for Ophthalmology

Ophthalmology is a medical field ripe with opportunities for meaningful application of computer vision algorithms. The field utilizes data from multiple disparate imaging techniques, ranging from conventional cameras to tomography, comprising a diverse set of computer vision challenges. Computer vision has a rich history of techniques that can adequately meet many of these challenges. However, the field has undergone something of a revolution in recent times as deep learning techniques have sprung into the forefront following advances in GPU hardware. This development raises important questions regarding how to best leverage insights from both modern deep learning approaches and more classical computer vision approaches for a given problem. In this dissertation, we tackle challenging computer vision problems in ophthalmology using methods all across this spectrum. Perhaps our most significant work is a highly successful iris registration algorithm for use in laser eye surgery. This algorithm relies on matching features extracted from the structure tensor and a Gabor wavelet – a classically driven approach that does not utilize modern machine learning. However, drawing on insight from the deep learning revolution, we demonstrate successful application of backpropagation to optimize the registration significantly faster than the alternative of relying on finite differences. Towards the other end of the spectrum, we also present a novel framework for improving RANSAC segmentation algorithms by utilizing a convolutional neural network (CNN) trained on a RANSAC-based loss function. Finally, we apply state-of-the-art deep learning methods to solve the problem of pathological fluid detection in optical coherence tomography images of the human retina, using a novel retina-specific data augmentation technique to greatly expand the data set. Altogether, our work demonstrates benefits of applying a holistic view of computer vision, which leverages deep learning and associated insights without neglecting techniques and insights from the previous era

Evolving robotic surgery training and improving patient safety, with the integration of novel technologies

INTRODUCTION: Robot-assisted surgery is becoming increasingly adopted by multiple surgical specialties. There is evidence of inherent risks of utilising new technologies that are unfamiliar early in the learning curve. The development of standardised and validated training programmes is crucial to deliver safe introduction. In this review, we aim to evaluate the current evidence and opportunities to integrate novel technologies into modern digitalised robotic training curricula. METHODS: A systematic literature review of the current evidence for novel technologies in surgical training was conducted online and relevant publications and information were identified. Evaluation was made on how these technologies could further enable digitalisation of training. RESULTS: Overall, the quality of available studies was found to be low with current available evidence consisting largely of expert opinion, consensus statements and small qualitative studies. The review identified that there are several novel technologies already being utilised in robotic surgery training. There is also a trend towards standardised validated robotic training curricula. Currently, the majority of the validated curricula do not incorporate novel technologies and training is delivered with more traditional methods that includes centralisation of training services with wet laboratories that have access to cadavers and dedicated training robots. CONCLUSIONS: Improvements to training standards and understanding performance data have good potential to significantly lower complications in patients. Digitalisation automates data collection and brings data together for analysis. Machine learning has potential to develop automated performance feedback for trainees. Digitalised training aims to build on the current gold standards and to further improve the 'continuum of training' by integrating PBP training, 3D-printed models, telementoring, telemetry and machine learning

Optical Methods in Sensing and Imaging for Medical and Biological Applications

The recent advances in optical sources and detectors have opened up new opportunities for sensing and imaging techniques which can be successfully used in biomedical and healthcare applications. This book, entitled ‘Optical Methods in Sensing and Imaging for Medical and Biological Applications’, focuses on various aspects of the research and development related to these areas. The book will be a valuable source of information presenting the recent advances in optical methods and novel techniques, as well as their applications in the fields of biomedicine and healthcare, to anyone interested in this subject

Generation of Artificial Image and Video Data for Medical Deep Learning Applications

Neuronale Netze haben in den letzten Jahren erstaunliche Ergebnisse bei der Erkennung von Ereignissen im Bereich der medizinischen Bild- und Videoanalyse erzielt. Dabei stellte sich jedoch immer wieder heraus, dass ein genereller Mangel an Daten besteht. Dieser Mangel bezieht sich nicht nur auf die Anzahl an verfügbaren Datensätzen, sondern auch auf die Anzahl an individuellen Stichproben, das heißt an unabhängigen Bildern und Videos, in bestehenden Datensätzen. Das führt wiederum zu einer schlechteren Erkennungsgenauigkeit von Ereignissen durch das neuronale Netz. Gerade im medizinischen Bereich ist es nicht einfach möglich die Datensätze zu erweitern oder neue Datensätze zu erfassen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Einerseits können rechtliche Belange die Datenveröffentlichung verhindern. Andererseits kann es sein, dass eine Krankheit nur sehr selten Auftritt und sich so keine Gelegenheit bietet die Daten zu erfassen. Ein zusätzliches Problem ist, dass es sich bei den Daten meist um eine sehr spezifische Domäne handelt, wodurch die Daten meist nur von Experten annotiert werden können. Die Annotation ist aber zeitaufwendig und somit teuer. Existierende Datenaugmentierungsmethoden können oft nur sinnvoll auf Bilddaten angewendet werden und erzeugen z.B. bei Videos nicht ausreichend zeitlich unabhängige Daten. Deswegen ist es notwendig, dass neue Methoden entwickelt werden, mit denen im Nachhinein auch Videodatensätze erweitert oder auch synthetische Daten generiert werden können. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei neu entwickelte Methoden vorgestellt und beispielhaft auf drei medizinische Beispiele aus dem Bereich der Chirurgie angewendet. Die erste Methode ist die sogenannte Workflow-Augmentierungsmethode, mit deren Hilfe semantischen Information, z.B. Ereignissen eines chirurgischen Arbeitsablaufs, in einem Video augmentiert werden können. Die Methode ermöglicht zusätzlich auch eine Balancierung zum Beispiel von chirurgischen Phasen oder chirurgischen Instrumenten, die im Videodatensatz vorkommen. Bei der Anwendung der Methode auf die zwei verschiedenen Datensätzen, von Kataraktoperationen und laparoskopischen Cholezystektomieoperationen, konnte die Leistungsfähigkeit der Methode gezeigt werden. Dabei wurde Genauigkeit der Instrumentenerkennung bei der Kataraktoperation durch ein Neuronales Netz während Kataraktoperation um 2,8% auf 93,5% im Vergleich zu etablierten Methoden gesteigert. Bei der chirurgischen Phasenerkennung im Fall bei der Cholezystektomie konnte sogar eine Steigerung der Genauigkeit um 8,7% auf 96,96% im Verglich zu einer früheren Studie erreicht werden. Beide Studien zeigen eindrucksvoll das Potential der Workflow-Augmentierungsmethode. Die zweite vorgestellte Methode basiert auf einem erzeugenden gegnerischen Netzwerk (engl. generative adversarial network (GAN)). Dieser Ansatz ist sehr vielversprechend, wenn nur sehr wenige Daten oder Datensätze vorhanden sind. Dabei werden mit Hilfe eines neuronalen Netzes neue fotorealistische Bilder generiert. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein sogenanntes zyklisches erzeugendes gegnerisches Netzwerk (engl. cycle generative adversarial network (CycleGAN)) verwendet. CycleGANs führen meiste eine Bild zu Bild Transformation durch. Zusätzlich ist es möglich weitere Bedingungen an die Transformation zu knüpfen. Das CycleGAN wurde im dritten Beispiel dazu verwendet, ein Passbild von einem Patienten nach einem Kranio-Maxillofazialen chirurgischen Korrektur, mit Hilfe eines präoperativen Porträtfotos und der operativen 3D Planungsmaske, zu schätzen. Dabei konnten realistisch, lebendig aussehende Bilder generiert werden, ohne dass für das Training des GANs medizinische Daten verwendeten wurden. Stattdessen wurden für das Training synthetisch erzeugte Daten verwendet. Abschließend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit entwickelten Methoden in der Lage sind, den Mangel an Stichproben und Datensätzen teilweise zu überwinden und dadurch eine bessere Erkennungsleistung von neuronalen Netzen erreicht werden konnte. Die entwickelten Methoden können in Zukunft dazu verwendet werden, bessere medizinische Unterstützungssysteme basierende auf künstlicher Intelligenz zu entwerfen, die den Arzt in der klinischen Routine weiter unterstützen, z.B. bei der Diagnose, der Therapie oder bei bildgesteuerten Eingriffen, was zu einer Verringerung der klinischen Arbeitsbelastung und damit zu einer Verbesserung der Patientensicherheit führt