Abstract Interactive image-guided neurosurgery for the resection of brain tumors was developed within the last 10 years at different neurosurgical centers around the world to improve the safety of the surgery and the functional outcome of the patients. Since 1987, the Oulu Neuronavigator System, consisting mainly of a mechanical arm, visualization software, an ultrasound transducer and a computer, was developed at the Neurosurgical Research Unit, University of Oulu, Finland. It was the first system to incorporate the principle of the common surgical axis for visualization, including intraoperative ultrasonography. A precommercial version of the device was jointly developed with Elekta Ab, Stockholm, Sweden, as a public project under EUREKA and introduced into a clinical beta-phase trial in 1994 as the Leksell Index System™. A total of 19 operations were performed at the Oulu University Hospital between September 1994 and September 1996 for patients harboring different kinds of intracranial tumors, especially cerebral gliomas. This thesis gives a comprehensive review of the literature from the roots of stereotaxy to the latest developments in interactive image-guided neurosurgery and discusses the advantages and disadvantages of the Leksell Index System™ with special reference to the clinical series that was performed at our institution. Future therapy strategies for the treatment of patients with cerebral gliomas, especially glioblastoma multiforme are envisioned, focusing on the further improvement of surgical interventions. The clinical trial proved that the employed neuronavigator system is versatile and safe and that there are no adverse effects, complications or surgical mortality due to the device. It enabled the surgeon to plan smaller sized and better centered skin incisions and craniotomies and to approach the target lesion with less dissection of intact brain tissue. Despite more radical removal of lesions the overall invasiveness of the operation was decreased in 63.2% of the cases, the duration of the procedure was decreased in 78.9%, and the surgeon's feeling of safety could be improved in 89.5% of the operations. Due to the use of intraoperative imaging (with ultrasound) the experience provides a unique basis for next generation neuronavigators and also for interventional MRI.

Ce document constitue une synth`ese de travaux de recherche en vue de l'obten- tion du diplˆome d'habilitation `a diriger les recherches. A la suite ce cette in- troduction r ́edig ́ee en franc ̧ais, le reste de ce document sera en anglais. Je suis actuellement charg ́e de recherches INRIA au centre de Rennes Bretagne Atlantique. J'ai rejoint en Septembre 2001 l' ́equipe Vista dirig ́ee par Patrick Bouthemy, puis l' ́equipe Visages dirig ́ee par Christian Barillot en Janvier 2004. Depuis Janvier 2010, je travaille dans l' ́equipe-projet Serpico dirig ́ee par Charles Kervrann dont l'objet est l'imagerie et la mod ́elisation de la dynamique intra- cellulaire. Parmi mes activit ́es pass ́ees, ce document va se concentrer uniquement sur les activit ́es portant sur la neurochirurgie guid ́ee par l'image. En parti- culier, les travaux effectu ́es sur le recalage non-rigide ne seront pas pr ́esent ́es ici. Concernant le recalage, ces travaux ont commenc ́e pendant ma th`ese avec le d ́eveloppement d'une m ́ethode de recalage 3D bas ́e sur le flot optique [72], l'incorporation de contraintes locales dans ce processus de recalage [74] et la validation de m ́ethodes de recalage inter-sujets [71]. J'ai poursuivi ces travaux apr`es mon recrutement avec Anne Cuzol et Etienne M ́emin sur la mod ́elisation fluide du recalage [44], avec Nicolas Courty sur l'acc ́el ́eration temps-r ́eel de m ́ethode de recalage [42], et sur l' ́evaluation des m ́ethodes de recalage dans deux contextes : celui de l'implantation d' ́electrodes profondes [29] et le re- calage inter-sujets [92]. L'utilisation de syst`emes dits de neuronavigation est maintenant courante dans les services de neurochirurgie. Les b ́en ́efices, attendus ou report ́es dans la litt ́erature, sont une r ́eduction de la mortalit ́e et de la morbidit ́e, une am ́elio- ration de la pr ́ecision, une r ́eduction de la dur ́ee d'intervention, des couˆts d'hospitalisation. Tous ces b ́en ́efices ne sont pas `a l'heure actuelle d ́emontr ́es `a ma connaissance, mais cette question d ́epasse largement le cadre de ce doc- ument. Ces syst`emes de neuronavigation permettent l'utilisation du planning chirurgical pendant l'intervention, dans la mesure ou` le patient est mis en cor- respondance g ́eom ́etrique avec les images pr ́eop ́eratoires `a partir desquelles est pr ́epar ́ee l'intervention. Ces informations multimodales sont maintenant couramment utilis ́ees, com- prenant des informations anatomiques, vasculaires, fonctionnelles. La fusion de ces informations permet de pr ́eparer le geste chirurgical : ou` est la cible, quelle est la voie d'abord, quelles zones ́eviter. Ces informations peuvent main- tenant ˆetre utilis ́ees en salle d'op ́eration et visualis ́ees dans les oculaires du mi- croscope chirurgical grˆace au syst`eme de neuronavigation. Malheureusement, cela suppose qu'il existe une transformation rigide entre le patient et les im- ages pr ́eop ́eratoires. Alors que cela peut ˆetre consid ́er ́e comme exact avant l'intervention, cette hypoth`ese tombe rapidement sous l'effet de la d ́eformation des tissus mous. Ces d ́eformations, qui doivent ˆetre consid ́er ́ees comme un ph ́enom`ene spatio-temporel, interviennent sous l'effet de plusieurs facteurs, dont la gravit ́e, la perte de liquide c ́ephalo-rachidien, l'administration de pro- duits anesth ́esiants ou diur ́etiques, etc. Ces d ́eformations sont tr`es difficiles `a mod ́eliser et pr ́edire. De plus, il s'agit d'un ph ́enom`ene spatio-temporel, dont l'amplitude peut varier consid ́era- blement en fonction de plusieurs facteurs. Pour corriger ces d ́eformations, l'imagerie intra-op ́eratoire apparait comme la seule piste possible.