Optimization of craniosynostosis surgery: virtual planning, intraoperative 3D photography and surgical navigation

Mención Internacional en el título de doctorCraniosynostosis is a congenital defect defined as the premature fusion of one or more cranial sutures. This fusion leads to growth restriction and deformation of the cranium, caused by compensatory expansion parallel to the fused sutures. Surgical correction is the preferred treatment in most cases to excise the fused sutures and to normalize cranial shape. Although multiple technological advancements have arisen in the surgical management of craniosynostosis, interventional planning and surgical correction are still highly dependent on the subjective assessment and artistic judgment of craniofacial surgeons. Therefore, there is a high variability in individual surgeon performance and, thus, in the surgical outcomes. The main objective of this thesis was to explore different approaches to improve the surgical management of craniosynostosis by reducing subjectivity in all stages of the process, from the preoperative virtual planning phase to the intraoperative performance. First, we developed a novel framework for automatic planning of craniosynostosis surgery that enables: calculating a patient-specific normative reference shape to target, estimating optimal bone fragments for remodeling, and computing the most appropriate configuration of fragments in order to achieve the desired target cranial shape. Our results showed that automatic plans were accurate and achieved adequate overcorrection with respect to normative morphology. Surgeons’ feedback indicated that the integration of this technology could increase the accuracy and reduce the duration of the preoperative planning phase. Second, we validated the use of hand-held 3D photography for intraoperative evaluation of the surgical outcome. The accuracy of this technology for 3D modeling and morphology quantification was evaluated using computed tomography imaging as gold-standard. Our results demonstrated that 3D photography could be used to perform accurate 3D reconstructions of the anatomy during surgical interventions and to measure morphological metrics to provide feedback to the surgical team. This technology presents a valuable alternative to computed tomography imaging and can be easily integrated into the current surgical workflow to assist during the intervention. Also, we developed an intraoperative navigation system to provide real-time guidance during craniosynostosis surgeries. This system, based on optical tracking, enables to record the positions of remodeled bone fragments and compare them with the target virtual surgical plan. Our navigation system is based on patient-specific surgical guides, which fit into the patient’s anatomy, to perform patient-to-image registration. In addition, our workflow does not rely on patient’s head immobilization or invasive attachment of dynamic reference frames. After testing our system in five craniosynostosis surgeries, our results demonstrated a high navigation accuracy and optimal surgical outcomes in all cases. Furthermore, the use of navigation did not substantially increase the operative time. Finally, we investigated the use of augmented reality technology as an alternative to navigation for surgical guidance in craniosynostosis surgery. We developed an augmented reality application to visualize the virtual surgical plan overlaid on the surgical field, indicating the predefined osteotomy locations and target bone fragment positions. Our results demonstrated that augmented reality provides sub-millimetric accuracy when guiding both osteotomy and remodeling phases during open cranial vault remodeling. Surgeons’ feedback indicated that this technology could be integrated into the current surgical workflow for the treatment of craniosynostosis. To conclude, in this thesis we evaluated multiple technological advancements to improve the surgical management of craniosynostosis. The integration of these developments into the surgical workflow of craniosynostosis will positively impact the surgical outcomes, increase the efficiency of surgical interventions, and reduce the variability between surgeons and institutions.Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Biomédica por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Norberto Antonio Malpica González.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Tamas Ung

Transverse Chromatic Aberrations in Virtual Reality Devices

We demonstrate a method for measuring the transverse chromatic aberration (TCA) in a virtual reality head-mounted display (VR HMD). This procedure was used to characterize the optical performance of the Oculus Go VR HMD. Results show a measurable TCA for angles larger than approximately 6◦ from the center of the field of view. TCA can be thought of as a wavelength dependent magnification, and as a result, the relative size of objects vary based on the rendering color. In addition, this leads to color changes in the image due to mixing with neighboring pixels, which impacts image quality. The test results for the Oculus Go show promise for characterizing TCA across different HMDs

Evaluating Human Performance for Image-Guided Surgical Tasks

The following work focuses on the objective evaluation of human performance for two different interventional tasks; targeted prostate biopsy tasks using a tracked biopsy device, and external ventricular drain placement tasks using a mobile-based augmented reality device for visualization and guidance. In both tasks, a human performance methodology was utilized which respects the trade-off between speed and accuracy for users conducting a series of targeting tasks using each device. This work outlines the development and application of performance evaluation methods using these devices, as well as details regarding the implementation of the mobile AR application. It was determined that the Fitts’ Law methodology can be applied for evaluation of tasks performed in each surgical scenario, and was sensitive to differentiate performance across a range which spanned experienced and novice users. This methodology is valuable for future development of training modules for these and other medical devices, and can provide details about the underlying characteristics of the devices, and how they can be optimized with respect to human performance

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.The liver is a vital abdominal organ known for its remarkable regenerative capacity and fundamental role in organism viability. Assessment of liver volume is an important tool which physicians use as a biomarker of disease severity. Liver volumetry is clinically indicated prior to major hepatectomy, portal vein embolization and transplantation. The most popular method to determine liver volume from computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) examinations involves contouring the liver on consecutive imaging slices, a process called “segmentation”. Segmentation can be performed either manually or in an automated fashion. We present the design concept and validation strategy for an innovative semiautomated liver segmentation method developed at our institution. Our method represents a model-based approach using variational shape interpolation and Laplacian mesh optimization techniques. It is independent of training data, requires limited user interactions and is robust to a variety of pathological cases. Further, it was designed for compatibility with both CT and MRI examinations. We evaluated the repeatability, agreement and efficiency of our semiautomated method in two retrospective cross-sectional studies. The results of our validation studies suggest that semiautomated liver segmentation can provide strong agreement and repeatability when compared to manual segmentation. Further, segmentation automation significantly shortens interaction time, thus making it suitable for daily clinical practice. Future studies may incorporate liver volumetry to determine volume-averaged biomarkers of liver disease, such as such as fat, iron or fibrosis measurements per unit volume. Segmental volumetry could also be assessed based on subsegmentation of vascular anatomy

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

AN AUTOMATED, DEEP LEARNING APPROACH TO SYSTEMATICALLY & SEQUENTIALLY DERIVE THREE-DIMENSIONAL KNEE KINEMATICS DIRECTLY FROM TWO-DIMENSIONAL FLUOROSCOPIC VIDEO

Total knee arthroplasty (TKA), also known as total knee replacement, is a surgical procedure to replace damaged parts of the knee joint with artificial components. It aims to relieve pain and improve knee function. TKA can improve knee kinematics and reduce pain, but it may also cause altered joint mechanics and complications. Proper patient selection, implant design, and surgical technique are important for successful outcomes. Kinematics analysis plays a vital role in TKA by evaluating knee joint movement and mechanics. It helps assess surgery success, guides implant and technique selection, informs implant design improvements, detects problems early, and improves patient outcomes. However, evaluating the kinematics of patients using conventional approaches presents significant challenges. The reliance on 3D CAD models limits applicability, as not all patients have access to such models. Moreover, the manual and time-consuming nature of the process makes it impractical for timely evaluations. Furthermore, the evaluation is confined to laboratory settings, limiting its feasibility in various locations. This study aims to address these limitations by introducing a new methodology for analyzing in vivo 3D kinematics using an automated deep learning approach. The proposed methodology involves several steps, starting with image segmentation of the femur and tibia using a robust deep learning approach. Subsequently, 3D reconstruction of the implants is performed, followed by automated registration. Finally, efficient knee kinematics modeling is conducted. The final kinematics results showed potential for reducing workload and increasing efficiency. The algorithms demonstrated high speed and accuracy, which could enable real-time TKA kinematics analysis in the operating room or clinical settings. Unlike previous studies that relied on sponsorships and limited patient samples, this algorithm allows the analysis of any patient, anywhere, and at any time, accommodating larger subject populations and complete fluoroscopic sequences. Although further improvements can be made, the study showcases the potential of machine learning to expand access to TKA analysis tools and advance biomedical engineering applications

Liver Segmentation and its Application to Hepatic Interventions

The thesis addresses the development of an intuitive and accurate liver segmentation approach, its integration into software prototypes for the planning of liver interventions, and research on liver regeneration. The developed liver segmentation approach is based on a combination of the live wire paradigm and shape-based interpolation. Extended with two correction modes and integrated into a user-friendly workflow, the method has been applied to more than 5000 data sets. The combination of the liver segmentation with image analysis of hepatic vessels and tumors allows for the computation of anatomical and functional remnant liver volumes. In several projects with clinical partners world-wide, the benefit of the computer-assisted planning was shown. New insights about the postoperative liver function and regeneration could be gained, and most recent investigations into the analysis of MRI data provide the option to further improve hepatic intervention planning

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

A robust framework for medical image segmentation through adaptable class-specific representation

Medical image segmentation is an increasingly important component in virtual pathology, diagnostic imaging and computer-assisted surgery. Better hardware for image acquisition and a variety of advanced visualisation methods have paved the way for the development of computer based tools for medical image analysis and interpretation. The routine use of medical imaging scans of multiple modalities has been growing over the last decades and data sets such as the Visible Human Project have introduced a new modality in the form of colour cryo section data. These developments have given rise to an increasing need for better automatic and semiautomatic segmentation methods. The work presented in this thesis concerns the development of a new framework for robust semi-automatic segmentation of medical imaging data of multiple modalities. Following the specification of a set of conceptual and technical requirements, the framework known as ACSR (Adaptable Class-Specific Representation) is developed in the first case for 2D colour cryo section segmentation. This is achieved through the development of a novel algorithm for adaptable class-specific sampling of point neighbourhoods, known as the PGA (Path Growing Algorithm), combined with Learning Vector Quantization. The framework is extended to accommodate 3D volume segmentation of cryo section data and subsequently segmentation of single and multi-channel greyscale MRl data. For the latter the issues of inhomogeneity and noise are specifically addressed. Evaluation is based on comparison with previously published results on standard simulated and real data sets, using visual presentation, ground truth comparison and human observer experiments. ACSR provides the user with a simple and intuitive visual initialisation process followed by a fully automatic segmentation. Results on both cryo section and MRI data compare favourably to existing methods, demonstrating robustness both to common artefacts and multiple user initialisations. Further developments into specific clinical applications are discussed in the future work section