Close to one million red blood cell (RBC) units are transfused annually in Canadian hospitals, with surgical inpatients accounting for up to 44% of transfusions. There is evidence of significant variation in transfusion practice in the operating room (i.e., intraoperative). Although variation is expected based on disease severity and patient preference, inappropriate clinical care due to either under- or over-transfusion likely also contributes to significant variation. Indeed, estimates of unwarranted intraoperative RBC transfusions in the literature range from 19% to 49%, owing partly to a lack of evidence-based consensus on RBC transfusion practice in the OR. Our two systematic reviews have highlighted this gap, demonstrating a lack of evidence from trials or actionable clinical practice guidelines to inform decisions in the OR. Perhaps more importantly, avoidance of blood product exposure is an important patient-prioritized outcome that has yet to be studied empirically in the OR. As such, the observed variation in transfusion practice suggests that transfusion decision-making during surgery represents a clear and important knowledge and evidence gap. Transfusion decision-making in the OR is a complex and dynamic process that we cannot begin to improve without first understanding it. It is influenced by 1) physiologic parameters such as acute blood loss, the effects of general anesthesia, and surgical manipulation. Decision-making is also likely heavily influenced by 2) behavioural factors in the OR (heuristics, team dynamics, institutional culture), for which very little empirical work has been conducted. Finally, the importance of 3) patient input in influencing transfusion decisions is inadequately studied, given the documented disconnect between patient priorities and outcomes used in the medical literature and by clinicians. In this context, the aim of my thesis was to develop an empirical understanding of transfusion decision-making in the OR based on stakeholder perceptions and priorities, informed by an integrated patient engagement process. With this work, I address an important knowledge gap in intraoperative blood transfusion, thereby contributing to efforts to reduce variation in blood transfusion practice in surgery. It is my hope that this work will be influential in informing actionable perioperative tools to optimize blood management including providing both evidence and knowledge gaps for future research.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

Intraoperative Blutungskomplikationen sind bei der Versorgung von Patienten mit primärer rhegmatogener Netzhautablösung relativ selten. Bei den aufgetretenen Komplikationen handelte es sich fast ausschließlich um leichtere Blutungen, die intraoperativ gut zu beherrschen waren. Die Wahl der Antikoagulation hatte dabei keinen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens intraoperativer Blutungskomplikationen. Dies gilt sowohl für die Thrombozytenaggregationshemmer Acetylsalicylsäure und Clopidogrel als auch für die gerinnungshemmenden Substanzen Heparin und Phenprocoumon. Interessanterweise zeigte sich bei den mit Phenprocoumon behandelten Patienten keine Korrelation zwischen einem erniedrigten Quick-Wert und einer erhöhten intraoperativen Blutungsneigung. Bei den wenigen Patienten, bei denen es unter der Therapie mit Phenprocoumon zu einer Blutung während der Operation kam, lagen die Quick-Werte sogar eher im oberen Bereich. Wenn man nun bedenkt, dass es sich bei der rissbedingten Netzhautablösung um einen Notfall handelt und beim Zuwarten mit einer Progredienz der Ablösung zu rechnen ist, kann eine klare Empfehlung für die sofortige Operation trotz wirksamer Antikoagulation ausgesprochen werden. Untermauert wird dies noch durch die erhöhte Gefahr thromboembolischer Ereignisse, wenn eine indizierte Gerinnungshemmung perioperativ abgesetzt oder auf andere Substanzen umgestellt wird. Schließlich werden nur Patienten antikoaguliert, bei denen dies aufgrund von gravierenden Erkrankungen in der Vorgeschichte indiziert ist. Dazu gehören zum Beispiel abgelaufene tiefe Beinvenenthrombosen oder Embolien, Vorhofflimmern oder auch der Herzklappenersatz. Im Gegensatz zu den Ergebnissen für die Antikoagulation ergab sich eine Abhängigkeit der intraoperativen Blutungswahrscheinlichkeit von der Wahl des operativen Verfahrens. Die wenigsten Blutungen traten bei den rein eindellenden Operationen (Plomben und Cerclagen) auf. Bei den kombinierten Operationen (Plombe oder Cerclage in Kombination mit Pars plana Vitrektomie) lag die Komplikationsrate schon deutlich höher. Die höchste Rate intraoperativer Blutungskomplikationen zeigte sich bei den nicht-eindellenden Operationen (Pars plana Vitrektomien). Dabei war die Komplikationsrate bei den nicht-eindellenden Verfahren gegenüber den rein eindellenden Verfahren signifikant erhöht (p<0,001). Es kann also festgehalten werden, dass intraoperative Blutungen bei der Akutversorgung von Patienten mit rissbedingter Netzhautablösung selten sind und nicht im Zusammenhang mit der Einnahme von Gerinnungshemmern zu stehen scheinen. Die Wahl des Operationsverfahrens hingegen beeinflusst die Rate intraoperativer Blutungskomplikationen.

Jährlich erkranken in Deutschland etwa 7.800 Menschen neu an einem Tumor des zentralen Nervensystems, wobei das Glioblastom (GBM) die häufigste und aggressivste Form darstellt. Der aktuelle Therapieansatz für GBM und andere Gliome besteht hauptsächlich in der chirurgischen Resektion, wobei die vollständige Entfernung des Tumorgewebes der wichtigste Prädiktor für das progressionsfreie Überleben ist. Gleichzeitig müssen Patientensicherheit und der Erhalt überlebenswichtiger Hirnfunktionen gewährleistet werden. Daher kommen in der modernen Neurochirurgie umfangreiche diagnostische und operationsunterstützende Technologien zum Einsatz. Zu den Standards der neurochirurgischen Bildgebung zählen konventionelle Schnittbildverfahren wie Magnetresonanztomografie (MRT) und Computertomografie (CT). Diese Verfahren haben jedoch Einschränkungen, insbesondere durch intrakranielle Massenverschiebungen während der Operation. Moderne optische Bildgebungsverfahren gewinnen daher an Bedeutung, da sie flexibel, einfach anzuwenden und nichtinvasiv sind. Diese Arbeit untersucht den Einsatz der intraoperativen thermografischen Bildgebung (ITI), die auf der Detektion von Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich basiert. ITI ermöglicht die Ermittlung der Temperatur des exponierten Hirngewebes und eignet sich besonders für die Untersuchung zerebraler Pathologien, die mit der Hirnperfusion zusammenhängen. Die ersten Studien zur ITI zeigten deren prinzipielle Anwendbarkeit und untersuchten die thermischen Signale hinsichtlich ihrer zeitlichen und räumlichen Eigenschaften. Zwei vielversprechende Einsatzmöglichkeiten der ITI in der Neurochirurgie sind die Visualisierung der Durchblutung (Perfusion) und die Kartierung kortikaler, funktionell aktivierter Areale. Allerdings gibt es verschiedene Faktoren, die die Detektion von thermischen Signalen beeinflussen. Eine Anpassung und Optimierung der Untersuchungsmethoden und Auswertealgorithmen wurde bisher nicht durchgeführt. Die zentrale Hypothese dieser Arbeit ist, dass durch die Optimierung der Auswertung und Methodik sowie die Einordnung der ITI in das Feld klinisch etablierter und apparativ vergleichbarer intraoperativer Bildgebungsmethoden die Relevanz der ITI für die klinische Anwendung gesteigert werden kann. Es wird vermutet, dass eine optimierte ITI, die gut in den klinischen Workflow integriert werden kann, eine verbesserte Visualisierung der Durchblutung und eine präzisere Detektion funktioneller Areale ermöglicht. Das übergeordnete Ziel besteht in der Erhöhung der Patientensicherheit durch eine verbesserte intraoperative Gewebecharakterisierung, um Schäden an funktionell intaktem Hirngewebe zu vermeiden und postoperative Defizite zu reduzieren. Es wurden verschiedene Optimierungsstrategien für die ITI-Methodik entwickelt und angewendet, um diese Hypothese zu testen. Dazu gehörten die Anpassung des Bildgebungssystems an den multimodalen intraoperativen Einsatz sowie die Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren im Operationssaal. Potenzielle Störquellen, wie Bewegungsartefakte durch Herzschlag und Atmung sowie thermische Einflüsse des Bildgebungssystems und der Umgebung, wurden analysiert. Das führte zur Entwicklung eines standardisierten Workflows und spezifischer Algorithmen zur Bildverarbeitung und -analyse für die jeweilige ITI-Anwendung, um trotz kleiner Signalamplituden die Qualität der thermografischen Daten zu verbessern und die Detektion relevanter physiologischer Signale zu ermöglichen. Die Validierung erfolgte durch zwei Patientenstudien, inklusive des Vergleichs der ITI-Ergebnisse mit etablierten Bildgebungsmethoden wie der fluoreszenzbasierten Indocyaningrün-Videoangiografie (ICG-VA) für die Visualisierung der Durchblutung und der Intraoperativen Optischen Bildgebung (IOI) für die Kartierung kortikaler, funktionell aktivierter Areale. Darüber hinaus wurde in einer dritten Patientenstudie das Potenzial der ITI für eine weitere Anwendung in der Epilepsiechirurgie untersucht. Die in der ersten Studie gewonnenen Erkenntnisse markieren einen signifikanten Fortschritt in der Anwendung der ITI zur Erfassung und Überwachung der zerebralen Perfusion während neurochirurgischer Eingriffe. Durch die Einführung eines semiparametrischen Regressionsmodells zur Analyse der ITI-Daten wurde das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und das verwendete thermografische Kontrastmittel präziser detektiert. Die Analyse von 12 Patienten mit unterschiedlichen Pathologien zeigte, dass ITI sowohl physiologische Durchblutungsmuster als auch Perfusionsstörungen effektiv darstellen kann. Ein Vergleich mit der ICG-VA bestätigte die Effektivität der ITI, wobei die ITI früher und sensibler auf Minderdurchblutung reagierte, jedoch eine niedrigere räumliche Auflösung aufweist. In der zweiten Studie wurden ITI und IOI verglichen, um ihre Fähigkeit zur Detektion des primären somatosensorischen Kortex zu bewerten. Beide Methoden konnten zuverlässige Aktivitätskarten nach Stimulation des Nervus medianus erstellen. Bei Patienten ohne sensorische Beeinträchtigungen identifizierten beide Techniken die Aktivierung im S1-Areal korrekt. Die ITI führte jedoch bei einigen Patienten mit kortikalen Tumoranteilen zu falsch-positiven Ergebnissen, während die IOI solche Effekte nicht zeigte. Die dritte Studie zur ITI bei Epilepsiechirurgie lieferte wichtige Erkenntnisse über die Identifikation und Lokalisierung epileptogener Zonen im Gehirn. Die ITI ermöglichte eine präzise Darstellung der von Epilepsie betroffenen Bereiche durch spezifische thermische Frequenzmuster, die mit epileptischer Aktivität assoziiert sind. Die Anwendung der ITI in der neurochirurgischen Bildgebung bietet bedeutende Vorteile, insbesondere durch die Möglichkeit der nicht-invasiven, kontaktlosen und mehrfach wiederholbaren Überwachung der zerebralen Perfusion und der Detektion funktioneller Regionen. Sie zeigte eine schnellere und sensiblere Reaktion auf Durchblutungsstörungen als die ICG-VA, obwohl sie eine geringere räumliche Auflösung aufweist. Die Kombination von ITI und ICG-VA eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung und Therapieplanung. Die Studienergebnisse unterstreichen das Potenzial der ITI für die intraoperative Überwachung und die Identifikation eloquenter Hirnareale. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Auswirkungen von Tumoren auf die ITI-Signale und deren Interpretation besser zu verstehen. ITI hat sich auch in der Epilepsiechirurgie als nützlich erwiesen, indem sie spezifische thermische Muster aufdeckt, die mit epileptischer Aktivität verbunden sind. Dies könnte neue Ansätze in der Diagnose und Behandlung von Epilepsie ermöglichen. Die optimierte ITI-Methodik verbesserte das Signal-Rausch-Verhältnis und ermöglichte eine präzisere Detektion thermischer Signale. Zudem wurde die ITI erfolgreich mit etablierten Methoden wie ICG-VA und IOI verglichen und zeigte dabei ihre Stärken in der schnelleren und sensibleren Erkennung von Durchblutungsstörungen sowie in der zuverlässigen Identifikation funktioneller Hirnareale. Diese Verbesserungen unterstützen die Integration der ITI in die klinische Praxis und unterstreichen ihr Potenzial, die Patientensicherheit und die Qualität neurochirurgischer Eingriffe zu erhöhen. Zukünftige Entwicklungen in der Kameratechnologie und fortschrittlichere Algorithmen zur Bildverarbeitung sowie die Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren werden entscheidend sein, um die Grenzen der ITI zu überwinden und ihre Anwendungsbereiche zu erweitern. / Each year in Germany, approximately 7,800 people are newly diagnosed with a tumor of the central nervous system, with glioblastoma (GBM) being the most common and aggressive form. The current therapeutic approach for GBM and other gliomas mainly involves surgical resection, where the complete removal of tumor tissue is the most crucial predictor for progression-free survival. At the same time, patient safety and the preservation of vital brain functions must be ensured. Therefore, extensive diagnostic and surgical support technologies are used in modern neurosurgery. Standard neuroimaging techniques include conventional imaging techniques such as magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT). However, these methods have limitations, particularly due to intracranial mass shifts during surgery. Modern optical imaging methods are gaining importance as they are flexible, easy to use, and non-invasive. This work investigates the use of intraoperative thermal imaging (ITI), which is based on the detection of thermal radiation in the infrared range. ITI allows for the determination of the temperature of exposed brain tissue and is particularly suitable for examining cerebral pathologies associated with brain perfusion. Initial studies on ITI demonstrated its principal applicability and investigated the thermal signals in terms of their temporal and spatial characteristics. Two promising applications of ITI in neurosurgery are the visualization of blood flow (perfusion) and the mapping of cortically, functionally activated areas. However, various factors affect the detection of thermal signals. Adaptation and optimization of the examination methods and evaluation algorithms have not yet been carried out. The central hypothesis of this thesis is that by optimizing the evaluation and methodology, as well as integrating ITI into the field of clinically established and comparably intraoperative imaging methods, the relevance of ITI for clinical application can be increased. It is hypothesized that an optimized ITI, well-integrated into the clinical workflow, enables improved visualization of blood flow and more precise detection of functional areas. The comprehensive goal is to enhance patient safety through better intraoperative tissue characterization, to avoid damage to functionally intact brain tissue and reduce postoperative deficits. To test this hypothesis, various optimization strategies for the ITI methodology were developed and applied. These included adapting the imaging system for multimodal intraoperative use and considering various influencing factors in the operating room. Potential sources of interference, such as movement artifacts due to heartbeat and breathing, as well as thermal influences from the imaging system and the environment, were analyzed. A standardized workflow for ITI application was developed, and specific algorithms for image processing and analysis were created for each ITI application to improve the quality of thermographic data and enable the detection of relevant physiological signals despite small signal amplitudes. Validation was performed through two patient studies, including a comparison of ITI results with established imaging methods such as fluorescence-based indocyanine green video angiography (ICG-VA) for blood flow visualization and intraoperative optical imaging (IOI) for mapping cortically, functionally activated areas. Additionally, a third patient study investigated the potential of ITI for further application in epilepsy surgery. The findings from the first study mark a significant advancement in the application of ITI for the detection and monitoring of cerebral perfusion during neurosurgical procedures. By introducing a semiparametric regression model for analyzing ITI data, the signal-to-noise ratio was improved, and the thermographic contrast agent was detected more precisely. The analysis of 12 patients with different pathologies showed that ITI can effectively depict both physiological blood flow patterns and perfusion disturbances. A comparison with ICG-VA confirmed the effectiveness of ITI, with ITI responding earlier and more sensitively to reduced blood flow, although it shows a lower spatial resolution. In the second study, ITI and IOI were compared to evaluate their ability to detect the primary somatosensory cortex. Both methods were able to create reliable activity maps following stimulation of the Nervus medianus. In patients without preoperative sensory impairments, both techniques correctly identified activation in the S1 area. However, ITI produced false-positive results in some patients with cortical tumor involvement, while IOI did not show such effects. The third study on ITI in epilepsy surgery provided important insights into the identification and localization of epileptogenic zones in the brain. ITI enabled precise depiction of areas affected by epilepsy through specific thermal frequency patterns associated with epileptic activity. The application of ITI in neurosurgical imaging offers significant advantages, particularly through the possibility of non-invasive, contactless, and repeatedly monitor cerebral perfusion and detect functional areas. It showed a faster and more sensitive response to blood flow disturbances than ICG-VA, although having a lower spatial resolution. The combination of ITI and ICG-VA opens new possibilities for research and therapy planning. The study results underscore the potential of ITI for intraoperative monitoring and the identification of eloquent brain areas. Further investigations are necessary to better understand the impact of tumors on ITI signals and their interpretation. ITI has also proven useful in epilepsy surgery by uncovering specific thermal patterns associated with epileptic activity, potentially enabling new approaches in the diagnosis and treatment of epilepsy. The optimized ITI methodology improved the signal-to-noise ratio and allowed for more precise detection of thermal signals. Additionally, ITI was successfully compared with established methods such as ICG-VA and IOI, demonstrating its strengths in earlier and more sensitive detection of blood flow disturbances and reliable identification of functional brain areas. These improvements support the integration of ITI into clinical practice and highlight its potential to enhance patient safety and the quality of neurosurgical procedures. Future developments in camera technology, advanced image processing algorithms, and the combination with other imaging techniques will be crucial to overcome the limitations of ITI and expand its applications.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

Bakgrund: En stor del av vårdskadorna i Sverige beror på undvikbara händelser i samband med kirurgiska ingrepp och årligen anmäls hundratals lex Maria anmälningar till Inspektionen för vård och omsorg för utredning. Riskerna i den intraoperativ vården är väl kända, men kunskapen om avvikelserna som faktiskt inträffat är liten. Syfte: Studiens syfte var att beskriva inrapporterade allvarliga avvikelser som uppstått under intraoperativ vård och lett till lex Maria anmälningar. Metod: En kvantitativ innehållsanalys av 173 lex Maria anmälningar som skett under intraoperativ vård. Pearson’s korrelationsanalys utfördes för att studera statistiska samband mellan variabler. Resultat: Vid analys av lex Maria anmälningarna framkom 11 kategorier som beskriver vilken typ av händelse som lett till allvarlig vårdskada eller risk för allvarlig vårdskada. De 11 kategorierna är; Operation utförd på fel sätt 17,71 %, oavsiktlig vävnadsskada 15,43 %, fel läkemedelshantering 12,57 %, kvarglömt material 11,43 %, felhantering av medicintekniska produkter 9,14 %, operation av fel område 6,86 %, felpositionering 6,29 %, förväxlad anatomi 5,71 %, brist i patientövervakning 5,14 %, kommunikationsbrister 5,14 % och fel på medicinteknisk produkt 4,57 %. Det framkom att stor del av patienterna behövt genomgå ytterligare ingrepp, fått en skadad kroppsfunktion och fått ett ökat vårdbehov, till följd av händelsen. Slutsats: Det förekommer flera risker som hotar patientsäkerheten under den intraoperativa vården och dessvärre var det en stor del av anmälningarna där patienter drabbats av allvarliga vårdskador. Resultatet kan bidra till medvetenhet om de omständighet som leder till en kirurgisk vårdskada. / Background: A large part of the healthcare injuries in Sweden are due to adverse events in surgical settings, and hundreds of adverse events (lex Maria) are reported annually to the Swedish healthcare authority for investigation. The risks in intraoperative care are well known, but knowledge of the adverse events that actually occurred is small. Aim: The aim of the study was to describe reported serious adverse events that occurred during intraoperative care and led to lex Maria reports. Method: A quantitative content analysis of 173 lex Maria reports that took place during intraoperative care. Pearson’s correlation analysis was performed to study statistic correlation between variables. Results: In the analysis of the lex Maria reports, 11 categories emerged that describe the type of event that led to serious care injury or risk of serious care injury. The 11 categories are; Surgery performed incorrectly 17,71 %, unintentional tissue damage 15,43 %, incorrect drug management 12,57 %, retained foreign objects 11,43 %, incorrect management of medical devices 9,14 %, wrong site surgery 6,86 %, incorrect positioning 6,29 %, mixed up anatomy 5,71 %, lack of patient monitoring 5,14 %, communication deficiencies 5,14 % and errors in medical device 4,57 %. It was also found that a large proportion of patients needed further surgical intervention, received an impaired bodily function and had an increased need of care as a result of the events. Conclusion: There are several risks that threaten patient safety during intraoperative care and unfortunately a large proportion of patients suffered health care injuries. The result can contribute to awareness of the circumstances that lead to a surgical care injury.

The determination of exact tumor boundaries within eloquent brain regions is essential to maximize the extent of resection. Recent studies showed that intraoperative optical imaging (IOI) combined with median nerve stimulation is a helpful tool for visualization of the primary sensory cortex (PSC). In this technical note, we describe a novel approach of using IOI with painless tactile irritation to demonstrate the feasibility of topographic mapping of different body regions within the PSC. In addition, we compared the IOI results with preoperative functional MRI (fMRI) findings. In five patients with tumors located near the PSC who received tumor removal, IOI with tactile irritation of different body parts and fMRI was applied. We showed that tactile irritation of the hand in local and general anesthesia leads to reliable changes of cerebral blood volume during IOI. Hereby, we observed comparable IOI activation maps regarding the median nerve stimulation, fMRI and tactile irritation of the hand. The tactile irritation of different body areas revealed a plausible topographic distribution along the PSC. With this approach, IOI is also suitable for awake surgeries, since the tactile irritation is painless compared with median nerve stimulation and is congruent to fMRI findings. Further studies are ongoing to standardize this method to enable a broad application within the neurosurgical community.

Etwa 7000 Menschen erkranken in Deutschland pro Jahr an einem bösartigen Hirntumor. Bei vielen dieser Patienten ist die mikrochirurgische Resektion des pathologischen Gewebes ein wesentlicher Baustein der Therapie. Doch trotz vielfältiger technischer Unterstützungssysteme ist die Hirntumorchirurgie eine der anspruchsvollsten chirurgischen Disziplinen. Dieser Umstand ist u. a. der Tatsache geschuldet, dass entstandene Schäden am Hirngewebe meist irreversibel sind und somit postoperativ zu funktionellen Beeinträchtigungen bei den Patienten führen können. Erschwerend kommt weiterhin hinzu, dass pathologisch verändertes und funktionell intaktes Hirngewebe vor allem bei niedergradigen Gliomen visuell kaum voneinander unterscheidbar sind. Für das postoperative Outcome der Patienten ist sowohl das Ausmaß der Resektion, als auch die Vermeidung von funktionellen Defiziten von essenzieller Bedeutung. Zahlreiche Studien belegen eine deutlich verlängerte Überlebenszeit bei vollständiger Entfernung des Tumorvolumens und gleichzeitiger Vermeidung von durch den Eingriff verursachten neuen funktionellen Defiziten. Primäres Ziel ist daher die möglichst vollständige Entfernung des Tumors bei Erhalt der Hirnfunktion. Zur Unterstützung während dieses Entscheidungsprozesses besteht der Bedarf für vor allem intraoperativ anwendbare Verfahren und Methoden, die mit geringem Aufwand einsetzbar sind und Informationen über Morphologie und/oder Funktion bereitstellen können. Die optische Bildgebung (IOI / Intraoperative Optical Imaging) stellt eine Möglichkeit dar während der Intervention spezifische Hirnfunktionen zu visualisieren. Ursprünglich primär zu Forschungszwecken im Tiermodell eingesetzt, konnte in der Vergangenheit das Potenzial der Methode bei dem Einsatz im klinischen Umfeld gezeigt werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen sollten in dieser Arbeit nun zum einen die Methode zur Darstellung der funktionellen Hirnareale weiter optimiert, die Integration in das klinische Umfeld vorangetrieben sowie das Potenzial der Bildgebung in weiteren Anwendungsfeldern evaluiert werden. Zentrale Fragestellungen die untersucht wurden, waren die Evaluation des Nutzens der IOI bei Wachkraniotomien zur Identifikation von Motor- und Spracharealen sowie zum anderen die Optimierung der bisherigen Auswerte- und Visualisierungsmethodik in Hinblick auf eine Maximierung des Informationsgewinns durch die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion. Weiterhin wurde untersucht inwieweit die in klinischer Routine vorhandene Mikroskopkameratechnik zur Anwendung der IOI geeignet ist. Neben diesen Fragestellungen ist auch die Abgrenzung von Tumorgewebe Gegenstand dieser Arbeit. Ausgehend von der Tatsache, dass sich pathologische Veränderungen u. a. auch in einer gestörten neurovaskulären Kopplung manifestieren, wurde untersucht, ob die direkte elektrische Stimulation (DCS) der Hirnoberfläche in Kombination mit der IOI geeignet ist, diese zu testen und somit funktionell intaktes und pathologisch verändertes Gewebe während der Operation zu differenzieren. Die Bewertung der IOI bei Wachoperationen erfolgte an einem Kollektiv aus insgesamt 10 Patienten. Hierbei wurden die mittels IOI aktivierten Areale qualitativ mit den präoperativ aufgezeichneten fMRT-Daten, sowie den intraoperativen Ergebnissen der Sprachtestung durch die direkte elektrische Stimulation verglichen. Zur funktionellen Aktivierung der Sprachareale wurden von den Patienten während der Aufnahmen Objektbenennungsaufgaben durchgeführt. Weiterhin fanden Untersuchungen zum Einsatz der IOI zur Generierung von visuellem Feedback während der Sprachkartierung statt. Zur Beantwortung der Eignung der RGB-Kamera für die IOI, wurden Messungen an insgesamt acht Patienten durchgeführt, bei denen der primär sensorische Kortex durch Stimulation des N. medianus aktiviert wurde. Die Aufnahmen der RGB-Kamera erfolgten hierbei parallel zu dem bisher genutzten Standardsystem, welches durch Lichtwellenlängenfilterung bei einem isosbestischen Punkt der Hämoglobinabsorption (568 nm) sensitiv für Änderungen des zerebralen Blutvolumens ist. Die aus den einzelnen Farbkanälen berechneten Aktivitätskarten der RGB-Kamera wurden mit der Aktivitätskarte des Standardsystems verglichen, um eine Aussage über die dominierende physiologische Signalkomponente in den einzelnen Farbkanälen zu treffen. Die bisherigen Auswertealgorithmen für die Darstellung funktioneller Areale basieren auf einem Ansatz, welcher die Fouriertransformation nutzt, um die Amplitude der Stimulationsfrequenz in den Bilddaten zu identifizieren. Dieser Ansatz wurde derart optimiert, dass zusätzlich zur Amplitudeninformation nun auch die Phaseninformation des Signals berücksichtigt wird. Somit können die hämodynamischen Vorgänge bei Aktivierung der entsprechenden Hirnareale genauer charakterisiert werden. Diese neue Auswertung und Visualisierung wurde zur Untersuchung der Aufnahmen von insgesamt 22 Patienten genutzt. Hierbei wurden die Aktivierungen nach elektrischer, taktiler und visueller Stimulation sowie die Aktivierung nach Durchführung von Sprachaufgaben bei Wachkraniotomien untersucht. Die Ergebnisse wurden u. a. mittels Phasenwinkelverteilungen in Form von Polarhistogrammen quantifiziert. In Hinblick auf die Differenzierung zwischen Tumor- und Normalgewebe wurden die Änderungen des zerebralen Blutvolumens, nachfolgend auf insgesamt 19 elektrische Stimulationen der Hirnoberfläche bei drei Patienten, mittels IOI beobachtet und die in den aktivierten Arealen gemessenen Reflektanzänderungen anschließend hinsichtlich Amplitude und Dauer quantifiziert. Das Ausmaß der aktivierten Areale wurde dazu mittels Differenzbildberechnung aus der gemittelten Reflektanz der Hirnoberfläche vor Stimulationsbeginn und der Reflektanz direkt nach Stimulationsende bestimmt. Bei dem Einsatz der IOI während Wachoperationen war die Identifizierung von primär motorischen Arealen in guter Übereinstimmung zu den präoperativen fMRT-Daten möglich. Die Auswertung der Daten zur Lokalisierung der Sprachareale ergab, dass bei 5 von 8 Patienten grundsätzlich zwar eine Übereinstimmung zum fMRT sichtbar war, gerade aber in Bezug zu den Ergebnissen der intraoperativen Sprachkartierung mit DCS die Ergebnisse beider Modalitäten (fMRT und IOI) nicht spezifisch genug für eine intraoperative Entscheidungsfindung sind. Die Verwendung einer RGB-Kamera für die Bildgebung ist prinzipiell möglich und kann die Integration der Methode in die operativen Abläufe vereinfachen. Bei allen 8 Patienten ließen sich aus den Daten der Farbkamera Aktivitätskarten berechnen, die eine Abgrenzung des Handareals auf dem primär sensorischen Kortex erlaubten. Bezüglich der Lokalisation der Aktivierung zeigten Blau- als auch Grünkanal die höchste Übereinstimmung mit den Daten des Standardsystems bei 568 nm. Eindeutige Unterschiede in den durch verschiedene Stimulationen ausgelösten hämodynamischen Reaktionen konnten mittels der in dieser Arbeit eingesetzten Phasenauswertung beobachtet werden. Speziell die auf die elektrische Stimulation am N. medianus folgende hämodynamische Antwort grenzt sich bezüglich ihrer temporalen Charakteristik gegenüber den Antworten nach taktiler und visueller Stimulation ab. Während der Stimulationsphasen kam es hierbei zu einer Reduktion des zerebralen Blutvolumens. Sowohl bei der taktilen, als auch bei der visuellen Stimulation zeigte sich eine Zunahme des Blutvolumens während der Stimulation. Die Auswertung der aktiven Sprachproduktion ergab sowohl Areale mit zunehmendem, als auch Areale mit abnehmendem Blutvolumen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Gewebeabgrenzung mittels IOI und DCS konnten signifikante Unterschiede zwischen Tumor und morphologisch unverändertem, also mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe beobachtet werden. Nach der elektrischen Stimulation zeigten sich auf Tumorgewebe in ihrer Amplitude deutlich geminderte optische Änderungen wohingegen auf mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe eine deutliche hämodynamische Reaktion auf den Stimulus zu beobachten war. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die IOI als universelles Werkzeug bei einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in der Neurochirurgie eingesetzt werden kann. Der methodeninhärente Vorteil liegt in der einfachen Anwendbarkeit und unkomplizierten Integration in die operativen Abläufe. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit scheint neben der Identifikation funktioneller Areale vor allem die Kombination von IOI und DCS vielversprechend. Hier kann die IOI zum einen zur Generierung von visuellem Feedback im Rahmen der intraoperativen Sprachkartierung genutzt werden und zum anderen bei Eingriffen unter Vollnarkose zur Gewebedifferenzierung. Die in der Arbeit weiterentwickelte funktionelle Auswertung erlaubt die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion auf verschiedene Stimuli und somit die Nutzung der Methode zum Erlangen vom grundlegendem Wissen über die Funktionsweise von kortikalen Prozessen. / Approximately 7000 people in Germany are diagnosed with a malignant brain tumor each year. For many of these patients, microsurgical resection of the pathological tissue is an essential component of the therapy. However, despite a variety of technical support systems, brain tumor surgery is one of the most challenging surgical disciplines. This is primary due to the fact, that damage to the brain tissue is usually irreversible, and can therefore lead to postoperative functional impairment. Another complicating factor is that pathologically altered and functionally intact brain tissue are visually almost indistinguishable from each other, especially in low-grade gliomas. For the postoperative outcome of patients, both, the extent of resection, and the avoidance of functional deficits, are of essential importance. Several studies demonstrate a significantly prolonged survival time with complete removal of the tumor volume while simultaneously avoiding new functional deficits caused by the surgery. Therefore, the primary goal is to remove the tumor as completely as possible while preserving brain function. To assist during this decision-making process, there is a need for intraoperative procedures and methods that can be used with minimal effort to provide information about morphology and function of cortical structures. Intraoperative Optical Imaging (IOI) is a technique that allows the visualization of specific brain function during the surgical intervention. Initially used mainly in animal models, developments in the past revealed the potential of IOI in a clinical setting. Based on those results, the scopes of this work are the further development of the method for visualization of functional brain areas, advancements in integration of IOI into surgical environment, and the development of new fields of application in neurosurgical interventions. In detail, this work investigates the use of IOI in awake surgery for identification of motor and speech areas. Another question addressed is the in depth characterization of the hemodynamic response, following functional stimulation. Therefore, new methods for data evaluation and visualization are developed. The integration of IOI into the clinical workflow and routine is essential for a successful application. Here, the potential use of the microscope integrated camera hardware is investigated to answer the question, whether it can be used for imaging. Besides the identification of functional areas, tissue differentiation is of major importance during tumor resection. Therefore, this work evaluates whether direct electrical stimulation (DCS) is suited, to delineate different tissue types (functional intact and tumor tissue), by evaluating the hemodynamic response following to the stimulation, using the IOI technique. This follows the hypothesis, that tumor tissue is in most cases characterized by an impaired neurovascular coupling and therefore by a limited response to electrical stimulation. IOI during awake surgery was evaluated by performing measurements on a total of 10 patients. Localization of IOI activation was compared towards preoperative acquired fMRI data, as well as towards intraoperative DCS language mapping. Object naming tasks were performed by the patients, to activate the corresponding language areas. Additionally, the use of IOI as a feedback tool during DCS mapping was investigated. Here, IOI was used to visualize the spatial extent of each single stimulation. The suitability of microscope integrated RGB camera for IOI was investigated by performing measurements on 8 patients, that underwent surgery near the central region. Activation of hand area on primary sensory cortex was triggered by electrical stimulation of the median nerve while patients were under general anesthesia. Measurements with an RGB camera were performed parallel to the standard research hardware setup, which uses a light wavelength filter (568 nm) that makes the system sensitive to changes in cerebral blood volume. Activity maps, calculated from the data of each RGB camera color channel, were compared, to the activity maps calculated from light wavelength filtered image data. The current algorithms for IOI data evaluation use a Fourier-based approach to localize the activated brain region based on the amplitude of the stimulation frequency component. This approach was refined in this work to incorporate besides the amplitude also the phase of the stimulation frequency component. This allows a more precise characterization of the hemodynamic processes during activation. The refined approach was used to evaluate 22 patient measurements. Datasets from electrical, tactile, visual, and speech activation were investigated. Results were quantitatively assessed using, among other things, the phase angle distribution visualized as polarhistograms. Regarding the differentiation between functional impaired tumor and functional intact non-tumor brain tissue, changes in cerebral blood volume from 19 direct electrical stimulations of three different patients were recorded and evaluated with IOI. The extent of the activated regions as well as the amplitude and duration of reflectance / hemodynamic changes were quantized. Therefore, a difference imaging technique was implemented. During awake surgery, the identification of primary motor areas with IOI was possible in good agreement with preoperatively acquired fMRI data. The evaluation of speech activation revealed that, although in 5 out of 8 cases a partial agreement between IOI and fMRI was visible, the results of both modalities (IOI as well as fMRI) are too unspecific to be useful for surgical decision-making. Here, DCS will remain the method of choice. The use of an RGB camera for IOI is generally possible and allows an easy integration of the method into the surgical workflow. Evaluation of data from all 8 patients, showed that color camera data is suitable to calculate activity maps that allow the identification of the median nerve area on primary sensory cortex. Regarding the localization of activation, activity maps calculated from green and blue channel data showed the highest agreements towards the CBV maps acquired at 568 nm. Using the refined evaluation protocol that considers the phase information of the optical signal, significant differences were found in the hemodynamic responses following the different stimulation types. Especially the evaluation of the hemodynamic response after electrical median nerve stimulation revealed distinct characteristics. Here, a decrease in CBV during stimulation trials was visible, whereas the hemodynamic responses after tactile as well as visual stimulation were characterized by an increase of CBV during stimulation trials. The evaluation of speech activations, revealed locally adjacent areas with CBV increase as well as with CBV decrease. Evaluation of optical changes of the brain surface after DCS revealed significant differences, dependent of the underlying type of tissue. The stimulation of functional impaired tumor tissue triggered a hemodynamic response that was, compared towards the stimulation of presumably functional intact cortical tissue, reduced in amplitude as well as in its spatial extent. The results of this work illustrate the potential of IOI in a wide variety of applications during neurosurgical intervention. The inherent advantage of the method is its ease in use and the easy integration into clinical workflow and environment. Based on the results of this work, the combination of IOI and DCS seems, besides the identification of functional areas, especially promising. IOI can be used here to either generate visual feedback for DCS during speech mapping in awake surgery, or it can be used to differentiate between tissue types by assessment of neurovascular coupling, even under general anesthesia of the patients. The algorithms for functional data evaluation developed in this work, allow a more precise characterization of the hemodynamic response. Therefore, IOI enables the user to gain fundamental knowledge about cortical hemodynamics and processes. Future work should address each of these presented use cases to address the open questions arising from this initial work on the extended fields of application for IOI.

Introduktion: Hälften av alla vårdskador uppkommer i samband med operation. Operationsteamet är ett multidisciplinärt samarbete där många människor från flera yrkeskategorier arbetar tillsammans i olika konstellationer med patientsäkerheten som en av de viktigaste delarna. Operationssjuksköterskan och anestesisjuksköterskan ansvarar för patientens omvårdnad före, under och efter operationen. Syfte: Att beskriva hur omvårdnadsteamet arbetar intraoperativt beträffande patientsäkerheten. Metod: En integrerad systematisk litteraturstudie där artiklar söktes i databaserna Cinahl och PubMed. Elva artiklar med kvantitativ, kvalitativ och mixed method valdes ut och analyserades. Resultat: Materialet resulterade i tre kategorier: Att vara förberedd, att utbyta information med varandra och att vara förtrogen med varandras färdigheter. Konklusion: En stor del av resultatet visade på att förberedelser där hela omvårdnadsteamet involveras, kontinuerligt utbyter information med varandra och är förtrogna med varandras yrkesprofessionella färdigheter stärker patientsäkerheten. Resultatet av denna litteraturstudie kan leda till en ökad förståelse för operationsteamets betydelse för patientsäkerheten intraoperativt. / Introduction: Half of all health care-associated injuries occur in conjunction with surgery. The patient care team is a multidisciplinary collaboration where many people from different professions work together in different configurations with patient safety as one of the most important aspects. The operating theatre nurse and the nurse anesthetist are responsible for the patients nursing care before, during and after the surgery. Aim: To describe how the patient care team works intraoperatively regarding the patient safety. Method: An integrated systematic literature study were articles searches where made using the databases Cinahl and PubMed. Eleven articles with quantitative, qualitative and mixed method analysis has been reviewed. Result: The material resulted in three categories: To be prepared, to exchange information with each other and to be familiar with each other’s skills. Conclusion: A large part of the result showed that preparations where the whole patient care team was involved, continuously exchanging information with each other and were familiar with each other’s professional skills enhances the patient safety. The result of this literature study might lead to an increased understanding of the importance of the patient care team for patient safety intraoperatively.

<p>Histopathology is the clinical standard for tissue diagnosis. However, histopathology has several limitations including that it requires tissue processing, which can take 30 minutes or more, and requires a highly trained pathologist to diagnose the tissue. Additionally, the diagnosis is qualitative, and the lack of quantitation leads to possible observer-specific diagnosis. Taken together, it is difficult to diagnose tissue at the point of care using histopathology.</p><p>Several clinical situations could benefit from more rapid and automated histological processing, which could reduce the time and the number of steps required between obtaining a fresh tissue specimen and rendering a diagnosis. For example, there is need for rapid detection of residual cancer on the surface of tumor resection specimens during excisional surgeries, which is known as intraoperative tumor margin assessment. Additionally, rapid assessment of biopsy specimens at the point-of-care could enable clinicians to confirm that a suspicious lesion is successfully sampled, thus preventing an unnecessary repeat biopsy procedure. Rapid and low cost histological processing could also be potentially useful in settings lacking the human resources and equipment necessary to perform standard histologic assessment. Lastly, automated interpretation of tissue samples could potentially reduce inter-observer error, particularly in the diagnosis of borderline lesions. </p><p>To address these needs, high quality microscopic images of the tissue must be obtained in rapid timeframes, in order for a pathologic assessment to be useful for guiding the intervention. Optical microscopy is a powerful technique to obtain high-resolution images of tissue morphology in real-time at the point of care, without the need for tissue processing. In particular, a number of groups have combined fluorescence microscopy with vital fluorescent stains to visualize micro-anatomical features of thick (i.e. unsectioned or unprocessed) tissue. However, robust methods for segmentation and quantitative analysis of heterogeneous images are essential to enable automated diagnosis. Thus, the goal of this work was to obtain high resolution imaging of tissue morphology through employing fluorescence microscopy and vital fluorescent stains and to develop a quantitative strategy to segment and quantify tissue features in heterogeneous images, such as nuclei and the surrounding stroma, which will enable automated diagnosis of thick tissues.</p><p>To achieve these goals, three specific aims were proposed. The first aim was to develop an image processing method that can differentiate nuclei from background tissue heterogeneity and enable automated diagnosis of thick tissue at the point of care. A computational technique called sparse component analysis (SCA) was adapted to isolate features of interest, such as nuclei, from the background. SCA has been used previously in the image processing community for image compression, enhancement, and restoration, but has never been applied to separate distinct tissue types in a heterogeneous image. In combination with a high resolution fluorescence microendoscope (HRME) and a contrast agent acriflavine, the utility of this technique was demonstrated through imaging preclinical sarcoma tumor margins. Acriflavine localizes to the nuclei of cells where it reversibly associates with RNA and DNA. Additionally, acriflavine shows some affinity for collagen and muscle. SCA was adapted to isolate acriflavine positive features or APFs (which correspond to RNA and DNA) from background tissue heterogeneity. The circle transform (CT) was applied to the SCA output to quantify the size and density of overlapping APFs. The sensitivity of the SCA+CT approach to variations in APF size, density and background heterogeneity was demonstrated through simulations. Specifically, SCA+CT achieved the lowest errors for higher contrast ratios and larger APF sizes. When applied to tissue images of excised sarcoma margins, SCA+CT correctly isolated APFs and showed consistently increased density in tumor and tumor + muscle images compared to images containing muscle. Next, variables were quantified from images of resected primary sarcomas and used to optimize a multivariate model. The sensitivity and specificity for differentiating positive from negative ex vivo resected tumor margins was 82% and 75%. The utility of this approach was further tested by imaging the in vivo tumor cavities from 34 mice after resection of a sarcoma with local recurrence as a bench mark. When applied prospectively to images from the tumor cavity, the sensitivity and specificity for differentiating local recurrence was 78% and 82%. The results indicate that SCA+CT can accurately delineate APFs in heterogeneous tissue, which is essential to enable automated and rapid surveillance of tissue pathology. </p><p>Two primary challenges were identified in the work in aim 1. First, while SCA can be used to isolate features, such as APFs, from heterogeneous images, its performance is limited by the contrast between APFs and the background. Second, while it is feasible to create mosaics by scanning a sarcoma tumor bed in a mouse, which is on the order of 3-7 mm in any one dimension, it is not feasible to evaluate an entire human surgical margin. Thus, improvements to the microscopic imaging system were made to (1) improve image contrast through rejecting out-of-focus background fluorescence and to (2) increase the field of view (FOV) while maintaining the sub-cellular resolution needed for delineation of nuclei. To address these challenges, a technique called structured illumination microscopy (SIM) was employed in which the entire FOV is illuminated with a defined spatial pattern rather than scanning a focal spot, such as in confocal microscopy. </p><p>Thus, the second aim was to improve image contrast and increase the FOV through employing wide-field, non-contact structured illumination microscopy and optimize the segmentation algorithm for new imaging modality. Both image contrast and FOV were increased through the development of a wide-field fluorescence SIM system. Clear improvement in image contrast was seen in structured illumination images compared to uniform illumination images. Additionally, the FOV is over 13X larger than the fluorescence microendoscope used in aim 1. Initial segmentation results of SIM images revealed that SCA is unable to segment large numbers of APFs in the tumor images. Because the FOV of the SIM system is over 13X larger than the FOV of the fluorescence microendoscope, dense collections of APFs commonly seen in tumor images could no longer be sparsely represented, and the fundamental sparsity assumption associated with SCA was no longer met. Thus, an algorithm called maximally stable extremal regions (MSER) was investigated as an alternative approach for APF segmentation in SIM images. MSER was able to accurately segment large numbers of APFs in SIM images of tumor tissue. In addition to optimizing MSER for SIM image segmentation, an optimal frequency of the illumination pattern used in SIM was carefully selected because the image signal to noise ratio (SNR) is dependent on the grid frequency. A grid frequency of 31.7 mm-1 led to the highest SNR and lowest percent error associated with MSER segmentation. </p><p>Once MSER was optimized for SIM image segmentation and the optimal grid frequency was selected, a quantitative model was developed to diagnose mouse sarcoma tumor margins that were imaged ex vivo with SIM. Tumor margins were stained with acridine orange (AO) in aim 2 because AO was found to stain the sarcoma tissue more brightly than acriflavine. Both acriflavine and AO are intravital dyes, which have been shown to stain nuclei, skeletal muscle, and collagenous stroma. A tissue-type classification model was developed to differentiate localized regions (75x75 µm) of tumor from skeletal muscle and adipose tissue based on the MSER segmentation output. Specifically, a logistic regression model was used to classify each localized region. The logistic regression model yielded an output in terms of probability (0-100%) that tumor was located within each 75x75 µm region. The model performance was tested using a receiver operator characteristic (ROC) curve analysis that revealed 77% sensitivity and 81% specificity. For margin classification, the whole margin image was divided into localized regions and this tissue-type classification model was applied. In a subset of 6 margins (3 negative, 3 positive), it was shown that with a tumor probability threshold of 50%, 8% of all regions from negative margins exceeded this threshold, while over 17% of all regions exceeded the threshold in the positive margins. Thus, 8% of regions in negative margins were considered false positives. These false positive regions are likely due to the high density of APFs present in normal tissues, which clearly demonstrates a challenge in implementing this automatic algorithm based on AO staining alone. </p><p>Thus, the third aim was to improve the specificity of the diagnostic model through leveraging other sources of contrast. Modifications were made to the SIM system to enable fluorescence imaging at a variety of wavelengths. Specifically, the SIM system was modified to enabling imaging of red fluorescent protein (RFP) expressing sarcomas, which were used to delineate the location of tumor cells within each image. Initial analysis of AO stained panels confirmed that there was room for improvement in tumor detection, particularly in regards to false positive regions that were negative for RFP. One approach for improving the specificity of the diagnostic model was to investigate using a fluorophore that was more specific to staining tumor. Specifically, tetracycline was selected because it appeared to specifically stain freshly excised tumor tissue in a matter of minutes, and was non-toxic and stable in solution. Results indicated that tetracycline staining has promise for increasing the specificity of tumor detection in SIM images of a preclinical sarcoma model and further investigation is warranted. </p><p>In conclusion, this work presents the development of a combination of tools that is capable of automated segmentation and quantification of micro-anatomical images of thick tissue. When compared to the fluorescence microendoscope, wide-field multispectral fluorescence SIM imaging provided improved image contrast, a larger FOV with comparable resolution, and the ability to image a variety of fluorophores. MSER was an appropriate and rapid approach to segment dense collections of APFs from wide-field SIM images. Variables that reflect the morphology of the tissue, such as the density, size, and shape of nuclei and nucleoli, can be used to automatically diagnose SIM images. The clinical utility of SIM imaging and MSER segmentation to detect microscopic residual disease has been demonstrated by imaging excised preclinical sarcoma margins. Ultimately, this work demonstrates that fluorescence imaging of tissue micro-anatomy combined with a specialized algorithm for delineation and quantification of features is a means for rapid, non-destructive and automated detection of microscopic disease, which could improve cancer management in a variety of clinical scenarios.</p> / Dissertation