Трубопровод для 3D мультимодальности интеграции изображений и компьютерное планирование в хирургии эпилепсии
May 20th, 2016
Мы опишем шаги, чтобы использовать наше пользовательское разработанное программное обеспечение для интеграции изображений, визуализации и планирования в хирургии эпилепсии.
Общая цель данного описания программного обеспечения Pipeline заключается в том, чтобы обеспечить распространение самого программного обеспечения в других центрах, что позволит другим группам извлечь выгоду из интеграции 3D-мультимодальных изображений в хирургии эпилепсии. Основные преимущества заключаются в том, что все этапы предоперационной оценки эпилепсии, включая регистрацию изображений, сегментацию анатомии и компьютерное планирование, могут быть выполнены на одной программной платформе. 3D-визуализация структур мозга в сочетании с мультимодальной интеграцией изображений и автоматическим многотраекторным планировщиком для имплантации электродов являются актуальными инструментами для повышения эффективности и безопасности хирургии эпилепсии.
Мультимодальный 3D-дисплей структурной и функциональной визуализации мозга, включая нормальные и аномальные структуры и функции, позволяет более точно и быстро планировать и имплантировать глубинные электроды. Начните с открытия внутреннего программного обеспечения на компьютере и загрузите данные. Обратите внимание на отображение двух на два окна, диспетчер данных в крайнем левом углу, значки в верхней части, представляющие различные инструменты обработки изображений, и выбранный инструмент в крайнем правом углу.
Импортируйте данные, нажав на значок «открыть». Прокручивайте различные наборы данных, чтобы убедиться в полноте. Затем зарегистрируйте отдельные изображения, выбрав инструмент NiftyReg из значков скорости.
Выберите нейронавигацию T1 с гадолинием в диспетчере данных для использования в качестве эталонного изображения. Затем выберите плавающее изображение, которое будет совместно зарегистрировано с эталонным изображением. Определите имя и местоположение зарегистрированного изображения.
Задайте для параметров оптимизации значение номер четыре, уровень для выполнения как три, номер итерации для пяти и тип совместной регистрации для твердого тела. Нажмите кнопку «Выполнить», чтобы зарегистрировать автоматизированное твердое тело. Затем проверьте правильность совместной регистрации, проверив зарегистрированное изображение поверх эталонного изображения.
Измените прозрачность зарегистрированного изображения, щелкнув правой кнопкой мыши по изображению в диспетчере данных и переместив курсор непрозрачности. Начните с выбора изображения для сегментации в диспетчере данных, а затем выберите инструмент редактора сегментации из значков скорости. Используйте расширенные инструменты сегментации, чтобы нарисовать интересующую область на нескольких срезах изображения в осиальной, корональной и сагиттальной плоскостях.
Наконец, выберите 3D-интерполяцию, чтобы визуализировать развивающуюся сегментированную структуру в 3D-окне. Подтвердите сегментацию, чтобы создать новый файл Nifty сегментированной структуры. Щелкните правой кнопкой мыши файл Nifty в диспетчере данных и выберите гладкую поверхность полигона.
Начните с выбора файла изображения из всей парцелляции мозга в диспетчере данных и убедитесь, что это изображение зарегистрировано совместно с эталонным изображением. Выберите основные инструменты обработки из значков скорости. Примените пороговое значение от единицы до 5002, чтобы создать бинаризованную маску коры головного мозга.
Щелкните правой кнопкой мыши файл Nifty в диспетчере данных и выберите гладкую поверхность полигона. Выберите инструмент извлечения сосудов для извлечения моделей поверхности сосудов. Затем выберите набор данных изображений сосудов.
Укажите имя и местоположение файла Nifty для извлечения судна. Нажмите «Выполнить», чтобы запустить экстрактор сосудов. Нанесите внутричерепную маску на результат, используя функцию умножения из основных инструментов обработки изображений для удаления экстракраниальных сосудов.
Наконец, чтобы отобразить интересующие области в виде 3D-поверхностей, выберите значок экстрактора поверхностей и определите пороговое значение для извлечения поверхности. Выберите Применить и присвойте имя отрисовке поверхности в Диспетчере данных. Начните с запуска планировщика нескольких траекторий, выбрав значок планировщика траекторий.
Выберите МРТ Neuronavigation T1 в качестве эталонного изображения. Затем выберите целевые точки, такие как миндалевидное тело, гиппокамп, островковая доля или поясная извилина, удерживая нажатой клавишу Shift и щелкая левую кнопку мыши. Или загрузите целевые точки из ранее сохраненного файла.
Далее выберите точки входа, а также маску исключения кожи головы в прикрепленном выпадающем меню, чтобы ограничить поиск возможных точек входа только хирургически возможной областью. Отметьте из выпадающего списка поверхности критических конструкций, которых траектории должны избегать. Выберите расширенные настройки и настройте заданные пользователем ограничения в отношении длины траектории, угла входа и расстояния между траекториями.
Затем запустите планировщик с несколькими траекториями, выбрав Добавить новый план и Пересчитать план. Затем используйте значок скорости визуализации рисков для оценки профилей рисков и безопасности после планирования траектории. Обратите внимание на метрики длины, угла входа, кумулятивного риска, минимального расстояния до кровеносного сосуда и соотношения серого/белого вещества.
Выберите карту рисков» в диспетчере данных, щелкнув по определенной траектории, чтобы отобразить контурную карту с цветовой кодировкой, расположенную над маской исключения скальпа. Обратите внимание, что потенциальные точки входа имеют цветовую кодировку в зависимости от уровня риска, так что красный цвет представляет высокий риск, а зеленый — низкий риск для любой выбранной траектории. После этого экспортируйте планы и модели в операционную.
Для этого сначала убедитесь, что референсное изображение было загружено в формате иконки, а затем откройте инструмент экспорта S7. Определите опорное изображение, планы, траектории и модели, которые должны быть экспортированы, и укажите место назначения сохраненного архива. Затем запустите инструмент экспорта S7.
Наконец, загрузите сохраненный архив на USB-накопитель для передачи в нейронавигационную систему в операционной. Загрузите архивную папку в систему нейронной навигации для клинической реализации запланированных траекторий. Этот протокол обеспечивает более оптимизированную интеграцию изображений, а также 3D-визуализацию и планирование до операции по лечению эпилепсии.
Компьютерное планирование позволяет проводить более безопасные и эффективные имплантации, которые могут быть выполнены с минимальными затратами времени по сравнению с ручным планированием. Здесь показан типичный результат 3D-многотраекторного планировщика. Критически важными структурами, которые были введены, являются вены, артерии и поверхностные сольки, которые позволяют проводить более точную имплантацию электродов.
Это видео должно дать вам хорошее понимание принципов мультимодальной интеграции изображений и использования компьютерного планирования. В зависимости от объема изображений, которые должны быть включены, подготовка компонентов изображения трудно интегрировать в 3D-мультимодальный дисплей, это может занять несколько часов. Если в исходных данных есть ошибки, они останутся и после интеграции.
При использовании этого протокола важно помнить, что качество сегментированных анатомических структур является ключом к обеспечению точных результатов компьютерного планирования. Это программное обеспечение предоставляет простые в использовании инструменты на одной платформе, так что оно не требует специальной подготовки или опыта, является экономически эффективным и легко внедряется в клиническую практику. Кроме того, это программное обеспечение может быть легко применено в других областях нейрохирургии, таких как резекция опухолей, близких к красноречивой коре головного мозга, фокальные поражения и доставка целевой стимуляции.
Собственная программная платформа находится в постоянном развитии с добавлением новых инструментов и функций для поддержки всех этапов предоперационного лечения и хирургической оценки. Не забывайте, что нейрохирургия и имплантация устройств в мозг сопряжена со значительным риском и требует тщательной проверки на каждом этапе. В том числе и собственно выполнение траекторий, по которым осуществляется имплантация электродов.
Обзор
В данной статье описывается кастомное ПО, разработанное для интеграции, визуализации и планирования трехмерных многорежимных изображений при хирургии эпилепсии. Программное обеспечение направлено на повышение эффективности и безопасности хирургических процедур путем оптимизации предоперационных оценок.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейрохирургия
- Медицинское визуализирование
- Разработка ПО
Предыстория
- Хирургия эпилепсии требует точного планирования и визуализации структур головного мозга.
- Интеграция многорежимных 3D изображений может улучшить результаты хирургии.
- Существующие инструменты часто не обладают полными функциями для предоперационных оценок.
- Программное обеспечение направлено на объединение различных процессов визуализации в одной платформе.
Цель исследования
- Распространение инструмента ПО для интеграции изображений в хирургии эпилепсии.
- Обеспечение более безопасного и эффективного внедрения электродов.
- Предоставление комплексного решения для предоперационного планирования.
Использованные методы
- Регистрация изображений с использованием инструмента NiftyReg.
- Сегментация анатомии с применением передовых инструментов сегментации.
- 3D визуализация структур и функций головного мозга.
- Планирование множественных траекторий для внедрения электродов.
Основные результаты
- Программное обеспечение позволяет точную совместную регистрацию изображений.
- 3D визуализация помогает в идентификации критических структур.
- Автоматизированное планирование повышает уровень безопасности во время хирургии.
- Инструменты визуализации риска обеспечивают представление о безопасности траекторий.
Выводы
- Программное обеспечение оптимизирует процесс интеграции изображений.
- Оно улучшает планирование и выполнение операций при эпилепсии.
- В целом, оно способствует лучшим хирургические результаты и эффективность.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
In epilepsy surgery, accurate pre-surgical planning is critical for target validation and reducing procedural risk. This software pipeline enables mechanistic de-risking by integrating multimodality imaging, segmentation, and trajectory planning into a unified workflow. It supports predictive confidence in stereotactic electrode implantation by providing quantitative safety metrics and reproducible planning outputs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of anatomical targets such as hippocampus and amygdala through multimodality image co-registration and segmentation.
- Operational Value: Standardizes target identification across imaging modalities, reducing variability in preclinical target validation studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variable measurements including trajectory length, entry angle, and distance to critical structures for assay-like evaluation of implantation plans.
- Operational Value: Provides reproducible, scalable planning outputs that can be exported to neuronavigation systems for consistent experimental execution.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by enabling 3D visualization of epileptogenic zones and critical vasculature in preclinical surgical simulations.
- Operational Value: Facilitates translational continuity from discovery planning to preclinical validation through standardized export of plans and models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by supporting hypothesis testing in target validation, enabling assay-ready planning outputs, and providing analytics for go/no-go decisions in surgical intervention strategies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing through co-registration of structural and functional imaging to clarify epileptic network involvement.
- Screening: Delivers assay readiness via standardized trajectory planning with quantifiable safety parameters for comparative condition evaluation.
- Analytics: Provides statistical outputs including cumulative risk, grey/white matter ratios, and minimum vessel distance to enable comparative trajectory analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing exported plans to be implemented in neuronavigation systems for surgical validation.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multimodality image integration across neurosurgical indications beyond epilepsy.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target engagement, reduction of mechanistic ambiguity in surgical targeting, and enhanced biological de-risking.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of planning workflows across sites and operators.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency through reduced planning time, and lowered late-stage procedural risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of surgical candidates based on quantifiable safety profiles and target accuracy.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, image co-registration, and 3D segmentation techniques.
- Dependent on computational infrastructure capable of handling multimodality image datasets and 3D rendering.
- Necessitates cross-team standardization of segmentation protocols and trajectory planning parameters for reproducible outputs.
- Involves adaptation considerations when applying the pipeline to different brain targets or surgical indications.
- Limited by the quality of input imaging data; artifacts or misregistration persist in integrated outputs.
