Localization of biopsy needles in 2D ultrasound images using gabor filter

Abstract

Needle Biopsies are common medical procedures to remove tissue samples from the body to be examined for diseases. During these procedures, the needle and its tip are tracked using medical imaging devices to avoid damage to the tissues and to get samples from the targeted site. Ultrasound (US) is a common imaging method to localize the needles because it does not have any known side effects and provides a larger workspace. However, excessive artifacts and low resolution of the US images make it difficult to localize the needles in the biopsies. A possible solution to this problem is to detect the needle and its tip using an image processing algorithm. In this thesis, a novel needle localization method is proposed for 2D US images based on the Gabor filter. This method enhances the needle outline to localize the needle, while suppressing other structures in the US images. The needle tip is localized in real-time and the estimation noise is reduced using the Kalman filter. Using the bin packing method, the processing time is reduced by 56%, without a GPU. Also, a simulation study to understand the accuracy of the system within different mediums is conducted. The proposed needle localization scheme was tested using various phantoms. An external sensor was used to evaluate the accuracy of the needle insertion angle estimation and the needle tip localization methods. The Root mean square (RMS) error of the needle insertion angle was 2.29° ; and the RMS error of the needle tip position was 1.17 mm. The results showed that this localization scheme can be used in the US image guided percutaneous needle procedures.

Ultrason görüntülerinin düşük çözünürlüğü ve görüntülerdeki yapay olgular, biyopsi uygulamalarında iğne lokalizasyonu zorlaştırmaktadır. Ancak, görüntü işleme kullanarak iğneyi ve ucunu belirlemek mümkündür. Bu çalışmada, 2B ultrason görüntülerinde iğne ucunu tespit etmek için Gabor filtresi tabanlı bir özgün iğne lokalizasyon metodu önerilmektedir. Bu metot iğne ana hatlarını artırırken, diğer yapıları sönümlemektedir. Bu metot iki aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada, Gabor filtresi görüntüye uygulanır ve iğnenin ultrason düzlemine giriş açısı tahmin edilir ve iğnenin yörüngesi RANSAC kullanılarak bulunur. İkinci aşamada, Gabor filtresi tekrar görüntüye uygulanır ve iğne ucunun lokasyonu olasılık haritası tahmin edilir. Bu çalışma ayrıca Otsu ikileştirme yöntemin eşik değeri için otomatik parametre ayarlanma metodu sunmaktadır. İğne ucu ultrason görüntülerinde önerilen lokalizasyon metodu ile gerçek zamanda lokalize edilmiştir ve tahmin gürültüsü Kalman filtresi kullanılarak azaltılmıştır. Önerilen metodu gerçek zamanda çalıştırmak için kutu paketleme yöntemi kullanıldı ve işlem süresi GPU kullanılmadan %56 azaltılmıştır. Ayrıca, Kalman filtresinin hassasiyetini doku deformasyonu ve ultrason görüntü düzlemi ile iğne eksenin hizasının bozulma durumlarında test etmek için iğne ucu takip simülasyonu sunulmaktadır. İğne ucu ayrıca önerilen lokalizyon metodu ile gerçek zamanda lokalize edildi ve tahmin gürültüsü Kalman filitresi kullanılarak azaltılmıştır. Önerilen metodu gerçek zamanda çalıştırmak için, kutu paketleme yöntemi kullanıldı ve işlem süresi %56 GPU kullanılmadan düşürülmüştür. Ayrıca, Kalman filitresinin hassasiyetinin doku deformasyonu ve hatalı hizalama durumlarında test etmek için bir iğne takip simülasyonu sunulmuştur. Önerilen iğne lokalizasyon metodu dört farklı türde fantomda ve su ortamında test edilmiştir. Lokalizasyon metodunun hassasiyeti optik takip sistemi ile ölçülmüştür. İğne giriş açısındaki kök ortalama kare hatası 2.29° ve iğne ucunun pozisyon kök ortalama kare hatası 1.17 mm olarak ölçülmüştür. Deney sonuçları önerilen lokalizasyon metodunun ultrason görüntü rehberliğinde yapılan deri altı biyopsi uygulamalarında kullanılabileceğini göstermiştir.