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Preoperative Magnetic Resonance and Intraoperative Ultrasound Fusion Imaging for Real-Time Neuronavigation in Brain Tumor Surgery

Prada, Francesco and Bene, M. Del and Mattei, L. and Lodigiani, L. and De Beni, Stefano and Kolev, Velizar and Vetrano, I. and Solbiati, Luigi and Sakas, Georgios and DiMeco, Francesco (2014):
Preoperative Magnetic Resonance and Intraoperative Ultrasound Fusion Imaging for Real-Time Neuronavigation in Brain Tumor Surgery.
In: Ultraschall in der Medizin - European Journal of Ultrasound, (EFirst.Publishedonline:27), p. 13, DOI: 10.1055/s-0034-1385347,
[Article]

Abstract

Purpose: Brain shift and tissue deformation during surgery for intracranial lesions are the main actual limitations of neuro-navigation (NN), which currently relies mainly on preoperative imaging. Ultrasound (US), being a real-time imaging modality, is becoming progressively more widespread during neurosurgical procedures, but most neurosurgeons, trained on axial computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) slices, lack specific US training and have difficulties recognizing anatomic structures with the same confidence as in preoperative imaging. Therefore real-time intraoperative fusion imaging (FI) between preoperative imaging and intraoperative ultrasound (ioUS) for virtual navigation (VN) is highly desirable. We describe our procedure for real-time navigation during surgery for different cerebral lesions. Materials and Methods: We performed fusion imaging with virtual navigation for patients undergoing surgery for brain lesion removal using an ultrasound- based real-time neuro-navigation system that fuses intraoperative cerebral ultrasound with preoperative MRI and simultaneously displays an MRI slice coplanar to an ioUS image. Results: 58 patients underwent surgery at our institution for intracranial lesion removal with image guidance using a US system equipped with fusion imaging for neuro-navigation. In all cases the initial (external) registration error obtained by the corresponding anatomical landmark procedure was below 2mmand the craniotomy was correctly placed. The transdural window gave satisfactory US image quality and the lesion was always detectable and measurable on both axes. Brain shift/deformation correction has been successfully employed in 42 cases to restore the co-registration during surgery. The accuracy of ioUS/MRI fusion/ overlapping was confirmed intraoperatively under direct visualization of anatomic landmarks and the error was < 3mm in all cases (100 ). Conclusion: Neuro-navigation using intraoperative US integrated with preoperative MRI is reliable, accurate and user-friendly. Moreover, the adjustments are very helpful in correcting brain shift and tissue distortion. This integrated system allows true real-time feedback during surgery and is less expensive and time-consuming than other intraoperative imaging techniques, offering high precision and orientation. Ziel: Brain Shift und Gewebedeformation während der chirurgischen Entfernung intrakranialer Läsionen sind aktuell die limitierenden Faktoren bei der Neuro-navigation (NN), welche momentan hauptsächlich präoperative Bilder einsetzt. Ultraschall (U/S) als Echtzeit-Bildgebung wird zunehmend bei neurochirurgischen Prozeduren eingesetzt, jedoch wurden die meisten Neurochirurgen auf standarisierte (typisch axiale) CTund MRI-Ansichten trainiert, haben deshalb wenig spezielles U/S-Training und können daher anatomische Strukturen nicht mit derselben Konfidenz wie bei CT/MRI identifizieren. Aus diesem Grund ist eine intraoperative Echtzeitfusion zwischen präoperativen CT/MRI Scans und intraoperativem Ultraschall (ioUS) im Rahmen der virtuellen Navigation (VN) extrem wünschenswert. Wir beschreiben hier unsere Prozedur für die Echtzeitnavigation bei der Entfernung verschiedener Kopftumoren. Material und Methoden: Wir haben Bildfusion als virtuelle Navigation eingesetzt bei der Chirurgie von Patienten mit Kopftumoren. Wir haben ein Neuronavigationssystem eingesetzt, welches intraoperative Ultraschallbilder (ioUS) des Gehirns mit präoperativen MRI Scans in Echtzeit überlagert und zu jedem U/S Bild simultan und in Echtzeit die dazu passende koplanare MRI-Ebene anzeigt. Ergebnisse: Ultraschallbasierte Neuronavigation wurde bei der Operation von 58 Patienten mit Kopftumoren eingesetzt. In allen Fällen war der Fehler der initialen (externen) Registrierung, welche anhand von anatomischen Landmarken erfolgte, unterhalb von 2mm und die Kraniotomie konnte korrekt angesetzt werden. Die Bildqualität des Ultraschalls direkt auf die Dura war gut und die Läsion konnte bei allen Fällen detektiert und in allen Achsen vermessen werden. Korrektur von Brain Shift sowie Gewebedeformation war nötig in 42 Fällen und wurde durchgeführt, um die Registrierung während der Operation wiederherzustellen. Die Genauigkeit der Überlagerung von ioUS und MRI wurde intraoperativ anhand der visuellen Korrespondenz von internen Landmarken überprüft und der Fehler lag in allen Fällen (100 ) unterhalb von 3mm. Schlussfolgerung: Neuronavigation anhand von intraoperativen U/S Bildern überlagert über präoperativen MRI ist zuverlässig, genau und benutzerfreundlich. Die Justierungsmöglichkeiten des Systems sind sehr hilfreich, umBrain Shift und Gewebedeformationen intraoperativ zu korrigieren. Das integrierte System ermöglicht eine tatsächliche Überprüfung der Navigation während der Chirurgie in Echtzeit und ist kostengünstiger, erfordert weniger Zeitaufwand bei hoher Präzision und Orientierung als andere intraoperative Bildgebungstechniken.

Item Type: Article
Erschienen: 2014
Creators: Prada, Francesco and Bene, M. Del and Mattei, L. and Lodigiani, L. and De Beni, Stefano and Kolev, Velizar and Vetrano, I. and Solbiati, Luigi and Sakas, Georgios and DiMeco, Francesco
Title: Preoperative Magnetic Resonance and Intraoperative Ultrasound Fusion Imaging for Real-Time Neuronavigation in Brain Tumor Surgery
Language: English
Abstract:

Purpose: Brain shift and tissue deformation during surgery for intracranial lesions are the main actual limitations of neuro-navigation (NN), which currently relies mainly on preoperative imaging. Ultrasound (US), being a real-time imaging modality, is becoming progressively more widespread during neurosurgical procedures, but most neurosurgeons, trained on axial computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) slices, lack specific US training and have difficulties recognizing anatomic structures with the same confidence as in preoperative imaging. Therefore real-time intraoperative fusion imaging (FI) between preoperative imaging and intraoperative ultrasound (ioUS) for virtual navigation (VN) is highly desirable. We describe our procedure for real-time navigation during surgery for different cerebral lesions. Materials and Methods: We performed fusion imaging with virtual navigation for patients undergoing surgery for brain lesion removal using an ultrasound- based real-time neuro-navigation system that fuses intraoperative cerebral ultrasound with preoperative MRI and simultaneously displays an MRI slice coplanar to an ioUS image. Results: 58 patients underwent surgery at our institution for intracranial lesion removal with image guidance using a US system equipped with fusion imaging for neuro-navigation. In all cases the initial (external) registration error obtained by the corresponding anatomical landmark procedure was below 2mmand the craniotomy was correctly placed. The transdural window gave satisfactory US image quality and the lesion was always detectable and measurable on both axes. Brain shift/deformation correction has been successfully employed in 42 cases to restore the co-registration during surgery. The accuracy of ioUS/MRI fusion/ overlapping was confirmed intraoperatively under direct visualization of anatomic landmarks and the error was < 3mm in all cases (100 ). Conclusion: Neuro-navigation using intraoperative US integrated with preoperative MRI is reliable, accurate and user-friendly. Moreover, the adjustments are very helpful in correcting brain shift and tissue distortion. This integrated system allows true real-time feedback during surgery and is less expensive and time-consuming than other intraoperative imaging techniques, offering high precision and orientation. Ziel: Brain Shift und Gewebedeformation während der chirurgischen Entfernung intrakranialer Läsionen sind aktuell die limitierenden Faktoren bei der Neuro-navigation (NN), welche momentan hauptsächlich präoperative Bilder einsetzt. Ultraschall (U/S) als Echtzeit-Bildgebung wird zunehmend bei neurochirurgischen Prozeduren eingesetzt, jedoch wurden die meisten Neurochirurgen auf standarisierte (typisch axiale) CTund MRI-Ansichten trainiert, haben deshalb wenig spezielles U/S-Training und können daher anatomische Strukturen nicht mit derselben Konfidenz wie bei CT/MRI identifizieren. Aus diesem Grund ist eine intraoperative Echtzeitfusion zwischen präoperativen CT/MRI Scans und intraoperativem Ultraschall (ioUS) im Rahmen der virtuellen Navigation (VN) extrem wünschenswert. Wir beschreiben hier unsere Prozedur für die Echtzeitnavigation bei der Entfernung verschiedener Kopftumoren. Material und Methoden: Wir haben Bildfusion als virtuelle Navigation eingesetzt bei der Chirurgie von Patienten mit Kopftumoren. Wir haben ein Neuronavigationssystem eingesetzt, welches intraoperative Ultraschallbilder (ioUS) des Gehirns mit präoperativen MRI Scans in Echtzeit überlagert und zu jedem U/S Bild simultan und in Echtzeit die dazu passende koplanare MRI-Ebene anzeigt. Ergebnisse: Ultraschallbasierte Neuronavigation wurde bei der Operation von 58 Patienten mit Kopftumoren eingesetzt. In allen Fällen war der Fehler der initialen (externen) Registrierung, welche anhand von anatomischen Landmarken erfolgte, unterhalb von 2mm und die Kraniotomie konnte korrekt angesetzt werden. Die Bildqualität des Ultraschalls direkt auf die Dura war gut und die Läsion konnte bei allen Fällen detektiert und in allen Achsen vermessen werden. Korrektur von Brain Shift sowie Gewebedeformation war nötig in 42 Fällen und wurde durchgeführt, um die Registrierung während der Operation wiederherzustellen. Die Genauigkeit der Überlagerung von ioUS und MRI wurde intraoperativ anhand der visuellen Korrespondenz von internen Landmarken überprüft und der Fehler lag in allen Fällen (100 ) unterhalb von 3mm. Schlussfolgerung: Neuronavigation anhand von intraoperativen U/S Bildern überlagert über präoperativen MRI ist zuverlässig, genau und benutzerfreundlich. Die Justierungsmöglichkeiten des Systems sind sehr hilfreich, umBrain Shift und Gewebedeformationen intraoperativ zu korrigieren. Das integrierte System ermöglicht eine tatsächliche Überprüfung der Navigation während der Chirurgie in Echtzeit und ist kostengünstiger, erfordert weniger Zeitaufwand bei hoher Präzision und Orientierung als andere intraoperative Bildgebungstechniken.

Journal or Publication Title: Ultraschall in der Medizin - European Journal of Ultrasound
Number: EFirst.Publishedonline:27
Uncontrolled Keywords: Forschungsgruppe Medical Computing (MECO), Multimodal image fusion, Medical imaging, Computer assisted surgery, Intraoperative imaging, Intraoperative navigation
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Interactive Graphics Systems
Date Deposited: 12 Nov 2018 11:16
DOI: 10.1055/s-0034-1385347
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