Accuracy Analysis and Error Correction for Anatomical Landmarks Based Registration in Image-Guided Neurosurgery

【摘要】Accuratepatienttoimageregistrationisthecoreforsuccessfulandsafeimage-guidedneuro-navigation.Point-matchingisthemostcommontechniqueinpracticetoachievethisregistration.WhileSkinAdhesiveMarkers(SMs)arewidelyusedinpoint-matchingregistration,aproperimplementationofAnatomicalLandmarks(ALs)mayovercometheinconveniencebroughtbytheuseofSMs.However,theaccuracyandapplicabilityofALsregistrationinneuro-navigationhaveremainedacontroversialissueduetothegreatvariabilityofthereportedresultsandconclusions.Therefore,weareprovidingananalysisfortheaccuracywhenusingdifferentsetsofALsaswellastheapplicabilityofthecorrespondingsurgicalfields.Inaddition,oneofthesignificantfactorsthatinfluencetheregistrationaccuracyatthetargetpointisthedistributionofthefiducialpoints.Theoptimaldistributionmaybedifficulttoachieveeitherduetothelimitednumberofdistinctanatomicalfeaturesonheadsurfaceorevenduetothepoorplanningofskinadhesivemarkers.ThereforewehavealsotriedtoovercomethisproblemandcorrectthequalityoftheregistrationintheareasthatnormallysufferlowaccuracywhenusingALs-basedregistration.Intheaccuracyanalysisstudy,weproposeasetofthreeconfigurationsusingnineALs.Theseconfigurationsaredefinedaccordingtotherequiredpositioningofthepatient’sheadduringsurgeryandtheresultingdistributionoftheexpectedTargetRegistrationError(TRE).Wefirstevaluatedtheseconfigurationsbysimulationexperimentsusingrealclinicaldataof20patientsfromtwohospitals,andthentestedtheapplicabilityofthemineightrealclinicalsurgeriesofneuronavigation.Inthecorrectionstudy,theproposedmethodisbasedonaninitialpoint-matchingregistrationusingsixdistinctALsasfiducialpoints,followedbyselectionofsomesurfacepointsonthepatient’sheadatlocationswherenaturalALsarenotavailabletoimprovethedistributionofthefiducialpoints.Theprojectionofthesurfacepointsfrompatientspaceintoimagespacereflectstheerrorsintroducedduringtheinitialregistrationprocess.Theseerrorscanbeidentifiedandinspectedintheimagespacebycalculatingthedistancebetweentheprojectedsurfacepointpositionstransferredwiththestandardspatialrelationandalsobycalculatingtheirnearestpointpositionsontheheadsurface.Thisinformationisthenusedtoimproveregistrationaccuracybyadoptingthecalculatednearestpoints(themoreaccuratepoints)intheimagespace,insteadoftheprojectedpositions,alongwiththeircorrespondingactualsurfacepointsinthepatientspace,asadditionalpairsofregistrationpoints.Thesimulationexperimentoftheaccuracyanalysisshowedthat,byincorporatingaFiducialRegistrationError(FRE)of3.5mmmeasuredintheclinicalsetting,theexpectedTREinthewholeskullwaslessthan2.5mm,andtheexpectedTREinthewholebrainwaslessthan1.75mmwhenusingtheconfigurationwithallthenineALs.AsmallTREcouldalsobeachievedinthecorrespondingsurgicalfield,byusingtheotherthreeconfigurationswithlessALs.Intheclinicalexperiment,theFiducialLocalizationError(FLE)rangesintheimageandthepatientspacewere1.4-3.6mmand1.6-5.5mm,respectively.ThemeasuredTREandFREwere3.1±0.75mmand3.5±0.17mm,respectively.Forthecorrectiontrials,experimentswithrealclinicaldatashowedthatwhenusingthesurfacepointstocorrecttheinitialregistrationtransformation,theTREdecreasedinthewhole-brainareabyapproximately20%,andthisimprovementismoredominantintheposteriorandsuperiorpartsofthebrain.TheALsconfigurationsproposedintheaccuracyanalysisprovidesufficientregistrationaccuracyandcanhelptoavoidSMsdisadvantagesifusedclinically.ThecorrectiontechniquehelpsaswelltoovercomethenaturallyimpaireddistributionoftheALS,whichisthemostsignificantfactorthatpreventstheirwideuseinregistration.ThemethodalsoallowsmorepreciseselectionofcorrespondingfiducialpointsthantraditionalALsandwithouttheneedfortaggingadhesivemarkers.Resultsshowedanimprovementinregistrationqualityinthetargetedareainallcasesbythiskindofcorrection.
【作者】AkramIsmailMohamedOmara；
【导师】宋志坚；
【作者基本信息】复旦大学，生物医学工程，2013，博士
【关键词】Anatomicallandmarks；Spaceregistration；Targetregistrationerror；Image-guidedneurosurgery；Pointmatchingregistration；

【参考文献】
[1]邱娜.员工—主管关系与员工满意度间的研究—基于信任的角度[D].云南财经大学,企业管理,2014,硕士.
[2]刘超.欠发达地区技术创新促进区域经济发展研究[D].云南财经大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[3]李彩华.补肾强督法治疗腰椎间盘突出症术后后残余症状的临床研究[D].广州中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[4]邵振.评价理论视角下中美报纸对棱镜门事件报道的人际意义比较研究[D].兰州理工大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[5]李莉.基于生活质量导向的农村聚居空间优化研究[D].湖南师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[6]潘悦.华癸中慢生根瘤菌7653R效应蛋白NopP的共生功能及蛋白互作研究[D].华中农业大学,微生物学,2014,硕士.
[7]易昌华.共轭亚油酸对肉鸡的营养重分配和免疫强化作用研究[D].湖南农业大学,动物营养与饲料科学,2004,硕士.
[8]赵艮华.基于混沌理论RFID系统保密性研究[D].湖南大学,电工理论与新技术,2011,硕士.
[9]付跃.语篇分析在大学英语阅读教学中的应用[D].渤海大学,课程与教学论,2013,硕士.
[10]仝晓辉.陕西省高速公路路域生态恢复技术的研究[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[11]刘玉亭.煤矿用高安全性聚氨酯注浆加固材料的制备及其性能研究[D].合肥工业大学,材料学,2013,硕士.
[12]心男.基于EDEM-FLUENT耦合的气吹式排种器工作过程仿真分析[D].吉林大学,农业机械化工程,2013,硕士.
[13]邓哲,周峰武,吕征宇.基于超级电容储能与电压型变流器的电梯能量回收系统效率优化控制策略[J].电工电能新技术,2014,02:22-28.
[14]李妙雅.服务型政府的公务员绩效考核指标体系研究[D].首都经济贸易大学,行政管理,2013,硕士.
[15]宋光磊.基于CAN总线的星务仿真测试系统设计[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2011,硕士.
[16]郭璇.率独立耗散岩土材料多变形机制的热力学建模方法及其应用[D].北京交通大学,2007.
[17]梁苑燕.猪伪狂犬病病毒gE/TK基因缺失株的构建及免疫效力的研究[D].扬州大学,预防兽医学,2012,硕士.
[18]寇振华.基于RBAC的时限委托模型的研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[19]刘倩.理想化认知模型视域下英文广告中的预设研究[D].燕山大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[20]盘娟梅.我国高等教育助学贷款研究[D].湖南师范大学,教育经济与管理,2004,硕士.
[21]倪海波.余红和他的心血管生物学研究[J].中国发明与专利,2014,01:127.
[22]江晓玲.网上企业银行系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[23]史硕.高校竞技体育伤害事故民事法律责任分析[D].北京交通大学,2013.
[24]朱淼.一类定量化竞争优势的战略分析模型与工具研究[D].浙江大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[25]韦佳佳.Ni-Mn-In系列铁磁形状记忆合金的物性研究[D].山东大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[26]彭韧.嵌入式实时1394数字视频解码算法与优化技术研究[D].湖南大学,计算机科学与技术,2010,硕士.
[27]冯瑛.高校人力资源开发管理之初探[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[28]张凯.人胚胎干细胞诱导分化为角膜内皮样细胞的实验研究[D].山东大学,眼科学,2014,博士.
[29]文军,李红霞.以翻译能力为中心的翻译专业本科课程设置研究[J].外语界,2010,02:2-7.
[30]高炳涛.铁路货车车体直线度与平面度检测系统的研发[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[31]蒋嗣韬,肖广然,王伟.非对称HALO-LDD掺杂石墨烯纳米条带场效应管的电学特性研究(英文)[J].固体电子学研究与进展,2013,03:228-236.
[32]孙乐.论股份公司中小股东权益的法律保护[D].安徽大学,法律,2003,硕士.
[33]任神河.光伏发电PWM逆变器谐波抑制方法研究[D].长安大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[34]王婕颖.基于Android平台的语音调度系统客户端设计实现[D].西南交通大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[35]田雪岑.上市公司经理层特征与公司经营业绩的关系研究[D].沈阳工业大学,会计学,2012,硕士.
[36]张群亮,席裕庚.基于终端凸集约束的新MPC控制器[J].控制与决策,2006,06:631-635.
[37]谭友宏.60CrMnMo钢基体碳化物陶瓷激光合金化层组织与性能的研究[D].广东工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[38]谢丽.我国夫妻财产制研究[D].沈阳师范大学,民商法学,2013,硕士.
[39]王嘉琪.静磁场促进骨形成的强度和时间效应研究[D].兰州理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[40]任辉辉.冶炼烟气制酸中稀硫酸浓缩技术的研究及工业装置的设计与应用[D].湖北师范学院,分析化学,2013,硕士.
[41]霍凤龙.古龙地区泥岩裂缝油藏成藏条件及地球物理特征研究[D].浙江大学,地质学,2012,硕士.
[42]蔡莉.改性亚氨基膦酸树脂的制备与除氟性能研究[D].长安大学,应用化学,2014,硕士.
[43]田雪.厄洛替尼与化疗药物不同次序给药对NSCLC细胞的作用[D].大连医科大学,肿瘤学,2012,硕士.
[44]杨久流.高纯二硫化钼的制备工艺[J].有色金属(选矿部分).2000(05)
[45]罗滢.“门当户对”婚配观对80后男青年择偶观影响的实证研究[D].曲阜师范大学,应用心理（专业学位）,2013,硕士.
[46]郝金广.道教金丹南宗援禅入道研究[D].山东大学,道家与道教哲学,2013,硕士.
[47]蔡政煦.高中思想政治课教学目标预设与生成研究[D].南京师范大学,学科教学,2012,硕士.
[48]马玲玲.西夏契约档案整理与研究[D].宁夏大学,汉语言文字学,2014,硕士.
[49]马莹莹.同质化竞争下中国网络游戏的发展策略研究[D].陕西科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[50]吴欣.岳阳YX工业园核心竞争力构建研究[D].湘潭大学,工商管理,2011,硕士.