Evaluation of brain tissue deformation during surgery: A study in vitro

Durante um procedimento cirúrgico cerebral existe o deslocamento das estruturas que é um problema tipicamente não-rígido e não-linear. A ultrassonografia intra-operatória é utilizada como guia cirúrgico e pode ser utilizada para correção das imagens pré- operatórias através do corregistro rígido entre estas e um sistema de rastreio. Isto torna possível a visualização do deslocamento das estruturas devida a remoção de parte delas durante o ato cirúrgico. O objetivo deste trabalho é um estudo do corregistro livre não-rígido a partir de um modelo in vitro experimental que simule uma situação cirúrgica de retirada de uma inclusão líquida, de forma controlada, para medir os deslocamentos das estruturas próximas, utilizando imagens de ultrassom. Alguns fantomas que simulam o tecido humano nas imagens de ultrassom, feitos de gelatina e parafina, foram escolhidos como modelo. Para realizar o corregistro foi escolhida a transformação geométrica por splines simples (B-Splines), o otimizador Limited- memory BroydenFletcherGoldfarbShanno (LBFGS) e a métrica de similaridade soma do quadrado das diferenças (SQD) e, utilizada a biblioteca Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK), assim como o estudo dos parâmetros adequados para a nossa tarefa. Foi demonstrado para as condições envolvidas que para as imagens em modo B as deformações até 5% e mapas de RF até 9%, sem nenhuma otimização dos parâmetros do corregistro, é factível sem uso excessivo de tempo computacional. Foi analisada a influência da grade em relação a dois tipos diferentes de deformação, ambas com valor de 2%. O tamanho da grade, levando em consideração o erro e o tempo, foram a 5x11 para as imagens em Modo B e 11x17 para os mapas de RF, independentemente do tipo de deformação. Os parâmetros do otimizador (Default Step Length, Gradient Convergence Tolerance e Line Search Accuraccy) também foram avaliados e os valores obtidos foram 1,6; 0,03 e 0,8 para as imagens modo B e 1,2; 0,05 e 1,0 para os mapas de RF. No entanto ao comparamos, utilizando os parâmetros propostos obtidos, os campos de deslocamentos esperados com os gerados pelo modo B e pelos mapas RF, foi demonstrado que os mapas de RF fornecem valores abaixo do esperado e que as imagens em modo B retratam mais fielmente os deslocamentos e isto se deve a escolha do conjunto de valores testados para o otimizador. Foram aplicados estes parâmetros em dois fantomas de parafina- gel e em dois de gelatina. Nos três primeiros fantomas foi retirada um inclusão líquida em várias etapas. Os deslocamentos das estruturas vizinhas foram avaliados durante as etapas de remoção para demonstrar os campos de sução e de torção. No último fantoma, que simula morfologicamente um cérebro humano, foram retiradas, em várias etapas, regiões sólidas, simulando a retirada de tecido e foram calculados os deslocamentos e demonstrados os campos provenientes deste tipo de intervenção. Os trabalhos futuros se concentrarão em utilizar os volumes para medir os movimentos das estruturas e em novos parâmetros do otimizador para os mapas de RF.During a brain surgery there is the displacement of the structures that is a typical non- rigid and non-linear problem. Intraoperative ultrasound is used as a surgical guide and can be used for spatial correction of preoperative images through the rigid registration between these and a track system. This makes it possible to visualize the displacement of structures due to removal of some piece of them during surgery. This work is a study of the non-rigid free-from registration using an experimental in vitro model to simulate a surgical situation withdrawal of a fluid inclusion in a controlled manner, to measure the displacement of nearby structures, using ultrasound images. Some phantoms that simulate the human tissue in the ultrasound images made of gelatin and paraffin were chosen as a model. To perform the registration it was used the framework Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) and were chosen a geometric transformation of simple splines (B-splines), the Limited-memory Broyden-Fletcher- Goldfarb-Shanno (LBFGS) optimizer and the similarity metric sum of the squared differences (SQD). The search for the suitable parameters for our task are done and it has been shown that for the conditions involved for B-mode images deformations up to 5% and RF maps up to 9% without any optimization of the parameters of registration, is feasible without excessive use of computational time. The influence of the grid was examined for two different types of deformation, both for 2%. The size of the grid, taking into account the error and time were the 5x11 for the images in B mode and 11x17 maps for RF, regardless of the type of deformation. The parameters of the optimizer (Default Step Length, Gradient Convergence Tolerance and Line Search Accuraccy) were also evaluated and the values obtained were 1.6, 0.03 and 0.8 for the B-mode images and 1.2, 0.05 and 1.0 for RF maps. However when comparing the expected displacement fields with the generated by B-mode images and the RF maps, using the obtained parameters, it have been shown that RF maps provide values are lower than expected and that the B-mode images portray more faithfully displacements. This is due to the choice set of values tested for the optimizer. Finally, image registration parameters for B-mode were applied in two paraffin-gel and two gelatin phantoms. In the first three phantoms the fluid inclusion was removed in several stages and the displacements of neighboring structures were evaluated during the removal steps to demonstrate the fields of suction and torsion. The last phantom, which morphologically mimics a human brain, a solid region was removed, also in several stages, simulating a surgery. The displacements were calculated and demonstrated the fields from this type of intervention. Future work will focus on using the volumes to measure the movements of the structures and new parameters test of the optimizer to RF maps