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David Black
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A Spectral Library and Method for Sparse Unmixing of Hyperspectral Images in Fluorescence Guided Resection of Brain Tumors

David Black et al.Jun 12, 2024
Through spectral unmixing, hyperspectral imaging (HSI) in fluorescence-guided brain tumor surgery has enabled the detection and classification of tumor regions invisible to the human eye. Prior unmixing work has focused on determining a minimal set of viable fluorophore spectra known to be present in the brain and effectively reconstructing human data without overfitting. With these endmembers, non-negative least squares regression (NNLS) was commonly used to compute the abundances. However, HSI images are heterogeneous, so one small set of endmember spectra may not fit all pixels well. Additionally, NNLS is the maximum likelihood estimator only if the measurement is normally distributed, and it does not enforce sparsity, which leads to overfitting and unphysical results. In this paper, we analyzed 555666 HSI fluorescence spectra from 891 ex vivo measurements of patients with various brain tumors to show that a Poisson distribution indeed models the measured data 82% better than a Gaussian in terms of the Kullback-Leibler divergence, and that the endmember abundance vectors are sparse. With this knowledge, we introduce (1) a library of 9 endmember spectra, including PpIX (620 nm and 634 nm photostates), NADH, FAD, flavins, lipofuscin, melanin, elastin, and collagen, (2) a sparse, non-negative Poisson regression algorithm to perform physics-informed unmixing with this library without overfitting, and (3) a highly realistic spectral measurement simulation with known endmember abundances. The new unmixing method was then tested on the human and simulated data and compared to four other candidate methods. It outperforms previous methods with 25% lower error in the computed abundances on the simulated data than NNLS, lower reconstruction error on human data, better sparsity, and 31 times faster runtime than state-of-the-art Poisson regression. This method and library of endmember spectra can enable more accurate spectral unmixing to aid the surgeon better during brain tumor resection.
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Towards machine learning-based quantitative hyperspectral image guidance for brain tumor resection

David Black et al.Jul 4, 2024
Abstract Background Complete resection of malignant gliomas is hampered by the difficulty in distinguishing tumor cells at the infiltration zone. Fluorescence guidance with 5-ALA assists in reaching this goal. Using hyperspectral imaging, previous work characterized five fluorophores’ emission spectra in most human brain tumors. Methods In this paper, the effectiveness of these five spectra was explored for different tumor and tissue classification tasks in 184 patients (891 hyperspectral measurements) harboring low- ( n = 30) and high-grade gliomas ( n = 115), non-glial primary brain tumors ( n = 19), radiation necrosis ( n = 2), miscellaneous ( n = 10) and metastases ( n = 8). Four machine-learning models were trained to classify tumor type, grade, glioma margins, and IDH mutation. Results Using random forests and multilayer perceptrons, the classifiers achieve average test accuracies of 84–87%, 96.1%, 86%, and 91% respectively. All five fluorophore abundances vary between tumor margin types and tumor grades ( p < 0.01). For tissue type, at least four of the five fluorophore abundances are significantly different ( p < 0.01) between all classes. Conclusions These results demonstrate the fluorophores’ differing abundances in different tissue classes and the value of the five fluorophores as potential optical biomarkers, opening new opportunities for intraoperative classification systems in fluorescence-guided neurosurgery.