Towards Digital Tomosynthesis-Guided Bronchoscopy Interventions

Abstract

Navigational bronchoscopy has emerged as a safer and less invasive alternative to traditional lung nodule biopsy methods. However, its reported diagnostic yield is still suboptimal. This yield is ultimately dependent on the accurate location identification of the target nodule and the biopsy needle during the intervention. Current bronchoscopy procedures mainly rely on projective fluoroscopy for a real-time imaging, and, from time to time, cone-beam computed tomography (CBCT) scans are performed to provide a 3D overview. This navigational approach is challenging due to the superimposition of the different structures in fluoroscopy in a 2D image hindering the visualization of the target nodule. Moreover, the high radiation dose, long imaging time, and large footprints of CBCT are of great concern. Providing some depth information compared to projective fluoroscopy on the one hand, and posing lower radiation dose, shorter imaging time, and smaller footprints compared to CBCT on the other hand, digital tomosynthesis (DTS) appears as a potential alternative for guiding bronchoscopy interventions. DTS imaging involves acquiring limited sets of X-ray projection images over limited angular ranges, then reconstructing them to provide quasi-3D images. However, while promising, DTS imaging suffers from a low depth resolution due to incomplete data. This dissertation seeks to improve DTS image quality at three levels: data acquisition, missing data replacement, and image reconstruction. At the data acquisition level, since multidirectional DTS scan orbits might improve image quality compared to unidirectional orbits, a novel C-arm-based spherical ellipse DTS scan orbit customized for bronchoscopy intervention guidance was proposed. Experiments using numerical phantoms and patient bronchoscopy data have shown that the proposed orbit provides a good compromise between image quality and workspace requirements compared to standard DTS orbits. To replace the missing data, preoperative computed tomography (CT) scans, which are often performed prior to interventions for diagnosis or to plan the intervention, represent a promising source of information. However, CT-to-body divergence is a significant barrier to the proper use of the CT data. To address this problem, a novel deformable 3D/3D CT-to-DTS registration algorithm aligning prior CT images to intraoperative DTS images was proposed. Experiments on simulated and real patient bronchoscopy data have demonstrated a registration accuracy sufficient-enough for guiding bronchoscopy interventions. At the image reconstruction level, a prior-aided iterative DTS reconstruction algorithm properly employing prior CT scans was proposed. Similarly, experiments on physical phantoms as well as on real patient bronchoscopy data have shown a significant improvement in DTS image quality using the proposed reconstruction algorithm and have demonstrated the benefits of incorporating prior knowledge into the DTS reconstruction algorithm. The achieved results lay the cornerstone for DTS-guided bronchoscopy interventions and offer valuable insights and tools for researchers and medical practitioners to introduce DTS as an image guidance modality for bronchoscopy interventions.

Navigationsbronchoskopie hat sich als sicherere und weniger invasive Alternative zu traditionellen Methoden der Lungenknötchenbiopsie etabliert. Die diagnostische Ausbeute ist jedoch immer noch suboptimal. Diese Ausbeute hängt letztendlich von einer genauen Lokalisierung des Zielknotens und der Biopsienadel während des Eingriffs ab. Gegenwärtige Bronchoskopieverfahren stützen sich hauptsächlich auf projektive Fluoroskopie für eine Echtzeitbildgebung und gelegentlich werden auch Cone-Beam-Computertomographie (CBCT)-Scans durchgeführt, die einen 3D-Überblick bieten. Dieser navigative Ansatz ist aufgrund der Überlagerung verschiedener Strukturen in der Fluoroskopie in einem 2D-Bild, die die Visualisierung des Zielknotens beeinträchtigt, herausfordernd. Darüber hinaus sind die hohe Strahlendosis, die lange Bildaufnahmezeit und der große Platzbedarf von CBCT-Systemen problematisch. Digital Tomosynthese (DTS) erscheint als potenzielle Alternative zur Führung von Bronchoskopieeingriffen, da sie im Vergleich zur projektiven Fluoroskopie einer- seits Tiefeninformationen bietet und andererseits im Vergleich zu CBCT eine geringere Strahlendosis, kürzere Bildaufnahmezeit und kleinere Platzbedarf aufweist. DTS-Bildgebung besteht darin, eine begrenzte Anzahl von Röntgenprojektionsbildern über einen begrenzten Winkelbereich zu erfassen und diese dann zu quasi-3D-Bildern zu rekonstruieren. Allerdings leidet die DTS-Bildgebung trotz vielversprechender Ansätze unter einer geringen Tiefenauflösung aufgrund unvollständiger Daten. Diese Dissertation zielt darauf ab, die DTS-Bildqualität auf drei Ebenen zu verbessern: Datenerfassung, Ersatz fehlender Daten und Bildrekonstruktion. Auf der Datenerfassungsebene wurde aufgrund der Möglichkeit, dass multidirektionale DTS-Scanorbits im Vergleich zu unidirektionalen Orbits die Bildqualität verbessern könnten, ein neuartiger C-Bogen-basierter DTS-Scanorbit entlang einer sphärischen Ellipse, der für die Führung von Bronchoskopieeingriffen angepasst ist, vorgeschlagen. Experimente mit numerischen Phantomen und Patientenbronchoskopiedaten haben gezeigt, dass die vorgeschlagene Trajektorie einen guten Kompromiss zwischen Bildqualität und Platzbedarf bietet. Um fehlende Daten mit DTS zu ersetzen, stellen präoperative Computertomographie (CT)-Scans, die oft vor Eingriffen zur Diagnose oder zur Interventionsplanung durchgeführt werden, eine vielversprechende In- formationsquelle dar. Allerdings ist die CT-zu-Körper-Divergenz ein signifikantes Hindernis für die ordnungsgemäße Verwendung der CT-Daten. Zur Bewältigung dieses Problems wurde ein neuartiger deformierend 3D/3D-CT-zu-DTS-Registrierungsalgori-thmus vorgeschlagen, der vorherige CT-Bilder mit intraoperativen DTS-Bildern ausrichtet. Experimente mit echten Patientenbronchoskopiedaten haben eine ausreichende Registriergenauigkeit für die Führung von Bronchoskopieeingriffen gezeigt. Auf der Ebene der Bildrekonstruktion wurde ein vorwissensunterstützter iterativer DTS-Rekonstruktionsalgorithmus vorgeschlagen, der vorherige CT-Scans verwendet. Ebenso haben Experimente an physischen Phantomen sowie an echten Patientendaten eine signifikante Verbesserung der DTS-Bildqua-lität unter Verwendung des vorgeschlagenen Rekonstruktionsalgorithmus gezeigt und die Vorteile der Integration von Vorwissen in den DTS-Rekonstruktionsalgorithmus demonstriert. Die erzielten Ergebnisse legen den Grundstein für DTS-geführte Bronchoskopieeingrif- fe und bieten wertvolle Einblicke und Werkzeuge für Forscher und Mediziner, um DTS als bildgebende Modalität für Bronchoskopieeingriffe einzuführen.