BACKGROUND: Posterior inferior cerebellar artery (PICA) aneurysms are an uncommon, heterogeneous group of aneurysms with poorer neurological outcomes compared to other intracranial aneurysms. At first, as part A, we conducted a systematic review of the literature to evaluate the safety and efficacy of treatment strategies for PICA-aneurysms. Subsequently, as part B, we performed a multicenter retrospective study to analyze the outcome in a large series of patients treated with contemporary microsurgical and endovascular techniques. METHODS: For the meta-analysis, a systematic search of Medline, EMBASE, Scopus and Web of Science was done for studies published through November 2015. We included studies that described treatment of PICA-aneurysms with ≥10 patients. Random-effects meta-analysis was used to pool the following outcomes: complete occlusion, technical success, periprocedural morbidity/mortality, stroke rates, aneurysm recurrence/rebleed, CN-palsies rates, and long-term neurological morbidity/mortality. As the second part, aiming to report the current trends and results in treatment strategies for PICA-aneurysms, records of 94 patients treated for PICA-aneurysms between 2000 and 2015 at 3 large referral neurovascular centers were retrospectively reviewed. RESULTS: In the meta-analysis, we...

Introduction: Pineal region is a deep-seated part of the brain surrounded by highly eloquent structures. Differential diagnosis of space-occupying lesions in this region encompasses pineal gland cysts, pineal gland tumours, metastases, germ cell tumours, meningiomas, gliomas, hemangioblastomas and neuroectodermal tumours. In this thesis, I focused mainly on patients with pineal cysts, which is a benign affection of the human pineal gland on the borderline between pathology and normality. The clinical management of patients with a pineal cyst remains controversial, especially when patients present with non-specific symptoms. A melatonin secretion in patients with a pineal cyst before and after a pineal cyst resection has not been studied yet and the effect of surgery on human metabolism is unknown. Materials and Methods: We performed a prospective study between 2000 and 2016. All patients with a pineal cyst larger than 7 mm were included. Epidemiological data, presenting symptoms, surgical results and radiographic and clinical follow-up were documented. We examined melatonin, cortisol and blood glucose secretion profiles perioperatively in a subgroup of 4 patients. The control group was represented by 3 asymptomatic patients with a pineal cyst. For each patient, 24-h circadian secretion curves of...

L'hémorragie intra-cérébrale (HIC) est responsable d’environ 15 % des accidents vasculaires cérébraux. Son incidence augmente avec l’âge et sa mortalité à 3 mois est de 30 % pour atteindre 60% à 1 an .1 La prise en charge de l’HIC représente un défi majeur pour la Santé Publique. <p>Plusieurs attitudes thérapeutiques ont été proposées récemment ;parmi elles l’administration, lors de la phase aigue, de substances neuroprotectrices 1,2 ou de facteurs de coagulation 1,2,3 .<p>En effet, c’est durant cette phase, que surviennent l’inondation ventriculaire, la constitution et la croissance de l’hématome et l’engagement cérébral avec le décès comme conséquence.<p>Le contrôle de l'hypertension intra-crânienne représente la première ligne de traitement ;malheureusement son efficacité s’avère très limitée à l’heure actuelle et aucune nouvelle modalité thérapeutique n’a porté ses fruits. 1<p>Dans ce travail nous avons tenté de définir les éléments cliniques intervenant au cours de la phase aigue de l’hémorragie intracérébrale sur lesquels pourraient agir une prise en charge mieux ciblée plus spécifique.<p>(1) Nous avons comparé la dizaine d’échelles pronostiques proposées depuis celle d’Hemphill en 2001, comprenant des éléments cliniques et radiologiques et utilisées pour la stratification du risque dans l’HIC afin de déterminer la ou les plus adaptée(s).3,4,5,6 <p>Nous avons conclu que ces échelles ne permettent pas une discrimination optimale et qu’elles restent équivalentes dans leur sensibilité et spécificité pronostiques.5<p>(2) Nous nous sommes ensuite concentrés sur les éléments cliniques et biologiques liés à la phase aigue de l’HIC pouvant influencer les décisions thérapeutiques (température, glycémie, dysfonction ionique, état critique,…). <p>Il ressort de l’étude de ces facteurs que seule l'hyperglycémie est associée à un mauvais pronostic.7,8<p> (3) Nous avons également essayé de voir si les caractèristiques de la lésion hémorragique jouent un rôle important ;nous avons noté (a) que la taille de l’hématome proprement dit reste l’élément prédicteur le plus important de mortalité, (b) 9 que la taille de l’ œdème cérébral y est lié (c) 9 qu’il existe une synergie d’effets délétères (surtout pour les petits hématomes) entre la taille de l’hématome et celle de l’œdème (d) 9, que la localisation de l’hématome influence également son extension ventriculaire (d) que la quantité de sang libéré dans les ventricules cérébraux a pour conséquence un pronostic péjoratif (associé à l’élévation de la glycémie à la phase aigue). 6,7<p>(4)Nous nous sommes intéressés à l’existence d’une éventuelle susceptibilité génétique pouvant intervenir dans la cinétique du saignement; nous avons relevé que la simple variation d’une paire de base du génome (SNP single nucleotide polymorphism) au niveau des gènes impliqués dans l’hémostase (gène du facteur de von Willebrand; rs216321) et l’agrégation plaquettaire (rs342286) pourrait influencer la taille de l’hématome lors de la phase aigue et sa croissance au cours des premières heures.10,11,12<p> (5) Enfin, nous avons voulu caractériser l’invalidité liée à l’HIC chez les survivants. Il existe une hétérogénéité des échelles d’évolution clinique mais en les comparant, l’Index de Bartel (qui intègre un large éventail d’activités de la vie de tous les jours) se montre supérieur aux scores de Rankin et de Glasgow. 13 Néanmoins, l’index de Barthel n’intègre pas la mortalité au sein des paramètres d’évolution clinique, risquant ainsi de biaiser l'interprétation en présence d’un nombre élevé de décès dans l’étude.<p> En conclusion, au cours de l’HIC, les caractéristiques s évolutifs de l’hématome au cours de la phase aigue, notamment sa taille, sa croissance et son extension dans les ventricules cérébraux sont responsables d’une série d’événements interactifs conduisant à un effet de masse mais également une cascade d’événements biologiques aggravant le pronostic, surtout chez des patients présentant une susceptibilité génétique La prise en compte de ces facteurs de risque devrait permettre une amélioration de la qualité de prise en charge et donc des résultats cliniques.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Bien que devenant un environnement de plus en plus riche technologiquement, la salle opératoire reste un endroit où la sécurité des patients n'est pas assurée à 100% comme le montre le nombre toujours conséquent d'erreurs chirurgicales. La nécessité de développer des systèmes intelligents au bloc opératoire apparait comme croissante. Un des éléments clés pour ce type de système est la reconnaissance du processus chirurgical, passant par une identification précise des outils chirurgicaux utilisés. L'objectif de cette thèse a donc porté sur la détection en temps-réel des outils chirurgicaux dans des vidéos 2D provenant de microscopes. Devant l'absence de jeux de données de référence, qui plus est dans un contexte neurochirurgical, la première contribution de la thèse a donc été la création d'un nouvel ensemble d'images de chirurgies du cerveau et du rachis cervical, mis à disposition en ligne. Comme seconde contribution, deux approches différentes ont été proposées permettant de détecter des outils chirurgicaux via des techniques d'analyse d'image. Tout d'abord, le SquaresChnFtrs adapté, basé sur une des méthodes de détection de piétons les plus performantes de la littérature. Notre deuxième méthode, le ShapeDetector, est une approche à deux niveaux n'utilisant aucune contrainte ou hypothèse a priori sur le nombre, la position, ou la forme des outils dans l'image. Par rapport aux travaux précédents du domaine, nous avons choisi de représenter les détections potentielles par des polygones plutôt que par des rectangles, obtenant ainsi des détections plus précises. Pour intégration dans des systèmes médicaux, une optimisation de la vitesse de calcul a été effectuée via un usage optimal du CPU, du GPU, et de méthodes ad-hoc. Pour des vidéos de résolution 612x480 pixels, notre ShapeDetector est capable d'effectuer les détections à une vitesse maximale de 8 Hz. Pour la validation de nos méthodes, nous avons pris en compte trois paramètres: la position globale, la position de l'extrémité, et l'orientation des détections. Les méthodes ont été classées et comparées avec des méthodes de référence compétitives. Pour la détection des tubes d'aspiration, nous avons obtenu un taux de manqué de 15% pour un taux de faux positifs par image de 0.1, comparé à un taux de manqué de 55% pour le SquaresChnFtrs adapté. L'orientation future du travail devra porter sur l'intégration des informations 3D, l'amélioration de la couche de labélisation sémantique, et la classification des outils chirurgicaux. Pour finir, un enrichissement du jeu de données et des annotations de plus haute précision seront nécessaires. / Despite modern-life technological advances and tremendous progress made in surgical techniques including MIS, today's OR is facing many challenges remaining yet to be addressed. The development of CAS systems integrating the SPM methodology was born as a response from the medical community, with the long-term objective to create surgical cockpit systems. Being able to identify surgical tools in use is a key component for systems relying on the SPM methodology. Towards that end, this thesis work has focused on real-time surgical tool detection from microscope 2D images. From the review of the literature, no validation data-sets have been elected as benchmarks by the community. In addition, the neurosurgical context has been addressed only once. As such, the first contribution of this thesis work consisted in the creation of a new surgical tool data-set, made freely available online. Two methods have been proposed to tackle the surgical tool detection challenge. First, the adapted SquaresChnFtrs, evolution of one of the best computer vision state-of-the-art approach for pedestrian detection. Our second contribution, the ShapeDetector, is fully data-driven and performs detection without the use of prior knowledge regarding the number, shape, and position of tools in the image. Compared to previous works, we chose to represent candidate detections with bounding polygons instead of bounding boxes, hence providing more fitting results. For integration into medical systems, we performed different code optimization through CPU and GPU use. Speed gain and accuracy loss from the use of ad-hoc optimization strategies have been thoroughly quantified to find an optimal trade-off between speed and accuracy. Our ShapeDetector is running in-between 5 and 8Hz for 612x480 pixel video sequences.We validated our approaches using a detailed methodology covering the overall tool location, tip position, and orientation. Approaches have been compared and ranked conjointly with a set of competitive baselines. For suction tube detections, we achieved a 15% miss-rate at 0.1 FPPI, compared to a 55% miss-rate for the adapted SquaresChnFtrs. Future works should be directed toward the integration of 3D feature extraction to improve detection performance but also toward the refinement of the semantic labelling step. Coupling the tool detection task to the tool classification in one single framework should be further investigated. Finally, increasing the data-set in diversity, number of tool classes, and detail of annotations is of interest.

Aufgrund der zunehmenden komplexen Verzahnung zwischen Operateur und technischen Komponenten bei Hirntumoroperationen, werden innovative Trainingslösungen und standardisierte Evaluationsmethoden in der neurochirurgischen Facharztausbildung angestrebt. Phantombasierte Trainingssysteme können die derzeitige Ausbildung sinnvoll ergänzen, indem sie eine risikoarme Umgebung außerhalb des Operationssaal schaffen. Dabei können praktische und theoretische Komponenten der Hirntumorchirurgie in wiederholbaren Trainingseinheiten ohne Risiko für den Patienten miteinander verbunden werden. Innerhalb eines EFRE (Europäischer Fond für regionale Entwicklung) geförderten Kooperationsprojektes mit der Firma Phacon GmbH wurde ein Prototyp eines solchen Trainingssystems entwickelt. Das enthaltene Kopfphantom besteht aus einer dreiteiligen Konstruktion mit wieder verwendbarem Basissystem und Adapter in Kopfform, sowie einem austauschbaren Modul für die einmalige Verwendung je Trainingseinheit. Eine zweiarmige Kamera zeichnet Trackingdaten auf, während ein Laptop inklusive zugehöriger Software als Navigationsplattform dient. Die Grundlage für die Navigation bilden reale MRT Patientendatensätze, die entsprechend auf die Anatomie des Kopfphantoms adaptiert wurden. Ein Trainingslauf deckt die chirurgische Planung des optimalen Zugangsweges, die Kopflagerung, die Einstellung der Trackingkameras, die Registrierung des Kopfphantoms, sowie die navigierte Kraniotomie mit realen OP-Instrumenten ab. Der entwickelte Prototyp wurde hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in der neurochirurgischen Facharztausbildung in einer ersten Proof-of-Concept- Studie evaluiert, wobei fünf Assistenzärzte verschiedenen Ausbildungsgrades jeweils ein komplettes Training auf dem gleichen Patientendatensatz durchführten. Anschließend war ein Fragebogen zur Bewertung der einzelnen Systemkomponenten auszufüllen. Die Auswertung der Fragebögen ergab im Mittel das Resultat gut für die Phantomkonstruktion und die verwendeten Materialien. Der Lerneffekt bezüglich der navigierten Planung wurde genauso wie der Effekt auf das Sicherheitsgefühl des Operateurs vor Ausführung der ersten eigenständig durchgeführten Kraniotomien als sehr gut eingeschätzt. Konstruktive Verbesserungsvorschläge wurden nach Studienabschluss bereits umgesetzt [23]. In einer zweiten Evaluationsstudie lag der Fokus auf potentiell erreichbaren Lernkurven durch wiederholte Trainingseinheiten auf verschiedenen Datensätzen. Dazu führten neun Assistenzärzte verschiedener Ausbildungsgrade jeweils drei Trainings auf Datensätzen mit differenten Tumorlokalitäten durch. Während des Trainings wurden durch einen Facharzt die einzelnen Ausführungsschritte beobachtet und bewertet. Insgesamt konnten in einem Trainingsdurchlauf 23 Punkte erreicht werden, welche für Kriterien wie Tumoridentifikation, Kopflagerung, Registrierungsgenauigkeit, Schonung vordefinierter Risikostrukturen, Planungs- und Ausführungsgenauigkeit, Tumorerreichbarkeit und Hautnaht vergeben wurden. Für alle Schritte wurde die benötigte Zeit aufgezeichnet. Im Mittel wurde ein Punktanstieg zwischen dem ersten und dem dritten Training von 16.9 auf 20.4 Punkte verzeichnet. Die mittlere Zeit bis zur Kraniotomie verbesserte sich von rund 29 Minuten auf rund 21 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Trainingsdurchlauf. Die benötigte Zeit bis zur Hautnaht sank im Mittel von rund 38 Minuten auf rund 27 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Training. Signifikante Korrelationen wurden zwischen Zeit bis zur Kraniotomie und Trainingsanzahl (p < .05), zwischen Zeit bis zur Hautnaht und Trainingsanzahl (p < .05) sowie zwischen erreichter Punktzahl und Trainingsanzahl (p < .01) gefunden. Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass das entwickelte Trainingssystem einen vielversprechenden Ansatz für die Ergänzung der derzeitigen Facharztausbildung in der Neurochirurgie darstellt. Durch die risikoarme Simulationsumgebung können theoretische und praktische Aspekte der Hirntumorchirurgie sinnvoll verbunden werden. Dem Assistenzarzt wird die Möglichkeit gegeben, sich mit den komplexen Strukturen von eigenständig durchgeführten Kraniotomien vertraut zu machen und damit die anfängliche Lernkurve in die Trainingsumgebung zu verlagern. Hinterfragt werden muss, inwieweit es das Trainingssystem ermöglicht, die chirurgischen Fähigkeiten so zu verbessern, dass diese auch in die reale OP-Umgebung unter realen Bedingungen übertragbar sind und wie diese potentielle Verbesserung zu messen ist [3]. Natürlich unterscheidet sich das haptische Feedback am Trainingsphantom gegenüber der realen menschlichen Anatomie. Weiterhin sind die psychologische Situation und der Erwartungsdruck im OP-Saal nicht mit einer Trainingsumgebung vergleichbar. Es ist daher nicht einfach, ein geeignetes Messinstrument für die Übertragbarkeit des Lerneffektes auf reale OP-Bedingungen zu finden. Nichts desto trotz konnten die beiden durchgeführten Studien bereits zeigen, dass eine Trainingsumgebung Vorteile gegenüber der Situation im OP-Saal bietet. Gerade die Anfangszeit der Facharztausbildung ist größtenteils durch Assistieren im OP-Saal gekennzeichnet, was den Lerneffekt bezüglich autonomer Entscheidungen und Schlussfolgerungen aus begangenen Fehlern begrenzt. Am Phantom hingegen kann die direkte Konsequenz, beispielsweise am Ergebnis der Nichterreichbarkeit des Tumors, direkt erfahren werden. Die theoretischen Konzepte für die Kopflagerung des Patienten in Abhängigkeit von der Tumorlokalisation können als übertragbar auf die OP-Situation angesehen werden, wenngleich das haptische Feedback am Phantom ein anderes ist. Der dadurch erreichbare Lerneffekt bietet das Potential, Lagerungen häufiger selbstständig durch den Assistenzarzt im OP-Saal vorbereiten zu lassen. Die Handhabung des Navigationssystems ist ebenfalls sehr nahe an den technischen Bedingungen im OP-Saal und trägt damit zu einem besseren Verständnis bei. Gegenüber virtuellen Systemen bieten phantom-basierte Trainingssysteme den Vorteil des taktilen Kopfphantoms welches mit realen Instrumenten bearbeitet werden kann und damit eine realistische Hand-Auge-Koordination während des Trainings gewährleistet. Die geringeren Investitionskosten für die Anschaffung ermöglicht auch kleineren Kliniken, eine Simulationsumgebung in die Facharztausbildung zu integrieren. Nachteilig gegenüber virtuellen Systemen ist die auf einmalige Verwendung begrenzte Modulverfügbarkeit, welche permanent laufende Kosten und Materialverlust verursacht. Das vorgestellte Trainingssystem soll nicht als Konkurrenzprodukt zu virtuellen Systemen, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung innerhalb der verfügbaren Trainingsmethoden verstanden werden. Die derzeitige und zukünftige Weiterentwicklung des Systems fokussiert sich auf die Implementierung des automatisierbaren Evaluationskonzeptes basierend auf vordefinierten, verschiedenen Master-Zugängen, sowie auf die Simulation von Risikostrukturen und Einbezug entsprechender Verletzungen in das Evaluationskonzept. Die getrackten Instrumente während der Simulation können so zusammen mit den vordefinierten Zugangswegen die zukünftige Basis für ein essentielles objektives Trainingsfeedback bilden. Auch in der Entwicklung befindet sich die Umsetzung des Ultraschall-Simulationstools, welches eine finale transdurale Identifikation des Tumors bei korrekt ausgeführter Kraniotomie ermöglichen soll. Aus den intraoperativ akquirierten Patienten-Ultraschalldaten können aufgrund des getrackten Ultraschalldummy’s die korrespondierenden Ultraschallschichten berechnet und visualisiert werden. Dadurch bekommt der Trainierende den Eindruck einer realen Ultraschalluntersuchung und kann die Handhabung und Koordination einer Ultraschallaufnahme sowie die Orientierung im resultierenden Ultraschallvolumen trainieren. Generell haben phantom-basierte Trainingssysteme durch effektive Trainingseinheiten das Potential, die neurochirurgische Facharztausbildung zu bereichern und hinsichtlich Risikomanagement, Patientensicherheit und OP-Verfügbarkeit zu verbessern.:Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 1 2 Bibliografische Zusammenfassung 2 3 Einführung 4 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.3.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3.2 Datensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.3 Software und Trainingsablauf . . . . . . . . . . . 12 3.4 Qualitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.5 Quantitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Publikation 1 - A neurosurgical phantom-based training system with ultrasound simulation 23 5 Publikation 2 - Evaluation of a novel phantom-based neurosurgical training system 31 6 Zusammenfassung 39 7 Literaturverzeichnis 44 8 Anlagen 48 8.1 Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2 Lebenslauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.3 Publikationsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.4 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5 Fragebogen Quantitative Studie . . . . . . . . . . . . . . 54 8.6 Fragebogen Qualitative Studie . . . . . . . . . . . . . . . 56

BACKGROUND: Posterior inferior cerebellar artery (PICA) aneurysms are an uncommon, heterogeneous group of aneurysms with poorer neurological outcomes compared to other intracranial aneurysms. At first, as part A, we conducted a systematic review of the literature to evaluate the safety and efficacy of treatment strategies for PICA-aneurysms. Subsequently, as part B, we performed a multicenter retrospective study to analyze the outcome in a large series of patients treated with contemporary microsurgical and endovascular techniques. METHODS: For the meta-analysis, a systematic search of Medline, EMBASE, Scopus and Web of Science was done for studies published through November 2015. We included studies that described treatment of PICA-aneurysms with ≥10 patients. Random-effects meta-analysis was used to pool the following outcomes: complete occlusion, technical success, periprocedural morbidity/mortality, stroke rates, aneurysm recurrence/rebleed, CN-palsies rates, and long-term neurological morbidity/mortality. As the second part, aiming to report the current trends and results in treatment strategies for PICA-aneurysms, records of 94 patients treated for PICA-aneurysms between 2000 and 2015 at 3 large referral neurovascular centers were retrospectively reviewed. RESULTS: In the meta-analysis, we...

Hintergrund: Im Rahmen intrakranieller Operationen kann die intraoperative Darstellung der Gehirndurchblutung die intraoperative Entscheidungsfindung unterstützen. Eine Alternative zu den etablierten Methoden der fluoreszenzgestützten Techniken und der Duplex-Sonographie stellt die intraoperative Perfusionsbildgebung auf Grundlage der Thermographie dar. Hiermit wird die temperaturabhängige, infrarote Strahlung des Gehirns gemessen, die annehmbar abhängig von der zerebralen Perfusion ist. Das Verfahren vereint die Vorteile des nebenwirkungsarmen, kontaktlosen, wiederholten und ökonomischen Einsatzes mit einem verhältnismäßig geringen apparativen Aufwand. Fragestellung/Hypothese: In der vorliegenden Arbeit sollen die intraoperativen Temperaturvariationen des Kortex thermographisch untersucht werden. Durch die intravenöse Applikation eines kalten Flüssigkeitsbolus kann ein systemischer Kältereiz erzeugt werden, der als thermographisches Kontrastmittel agiert. Die Untersuchung der Sensitivität der kortikalen Kältesignalerfassung in Abhängigkeit der Injektionsparameter des Flüssigkeitsbolus und anderer intraoperativer Variablen soll für die Etablierung eines robusten und klinisch nutzbaren Messaufbaus genutzt werden. Die gewonnenen Informationen sollen darüber hinaus zur Entwicklung eines Auswertungsalgorithmus für die automatisierte, thermographische Erfassung des kortikalen Kältesignals dienen. Abschließend werden potenzielle, klinische Anwendungsszenarien beschrieben. Material und Methoden: Die thermographischen Aufnahmen wurden mit ungekühlten Focal-Plane-Array-Kameras mit einer thermischen Auflösung von bis zu 20 mK durchgeführt. Es wurden 97 Patienten intraoperativ untersucht und insgesamt 210 Kältebolusinjektionen appliziert. Die zugrundeliegenden Pathologien waren größtenteils Glioblastome und zerebrale Metastasen sowie Gliome II°/III°, Hirninfarkte, arteriovenöse Malformationen und Aneurysmen. Nach chirurgischer Exposition des zerebralen Kortex wurde die thermographische Messung des Kortex gestartet. Es folgte die intravenöse Injektion der Kälteboli mit einer Temperatur von etwa 4°C aus physiologischer Kochsalzlösung und einem Volumen von 20 ml (59 % der Fälle) oder 50 ml (41 % der Fälle) über einen peripheren (76 % der Fälle) oder zentralen Venenkatheter (24 % der Fälle). Es wurden die Injektionsgeschwindigkeit und Vitalparameter registriert. Nachfolgend wurden die thermographischen Sequenzen einer Datenvorverarbeitung unterzogen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Es folgte die Auswertung der resultierenden Temperatur-Zeit-Reihen zur Kältesignaldetektion mit der Hauptkomponentenanalyse nach Steiner et al., dem Bigauss-Algorithmus nach Hollmach und einer manuellen Analyse (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). Die Qualität der Auswertungsalgorithmen wurden auf Basis von 10 parallelen Kältebolus-ICG-Injektionen überprüft. Die ICG-Signale wurden als Referenz für die Kältesignaldetektionen genutzt. Die Beschreibung der Kältesignale erfolgte anhand der Parameter twash-in, tmin(T), trise, ttransit und ΔT. Ergebnisse: Die Thermographie kann kleinste Temperaturvariation des Kortex von bis zu 20 mK aufzeichnen. Periodische Temperaturänderungen können zum Teil durch physiologische Prozesse wie Atmung und Herzaktion erklärt werden, während andere spontane Temperaturschwankungen bisher keinen pathophysiologischen Äquivalenten zugewiesen werden können. Das systemische Kältesignal in Form des intravenösen Kältebolus kann bei der kortikalen Passage thermographisch als Temperatursenke registriert werden. Die Sensitivität der Kältesignalerfassung wird wesentlich durch die Injektionsparameter Bolusvolumen, Applikationsort und -geschwindigkeit bestimmt und lässt sich durch eine periphervenöse, 50 ml umfassende Bolusinjektion mit einer Geschwindigkeit von ≥ 5,4 ml/s auf über 70 % steigern. Die Vitalparameter beeinflussen die Kältesignaldetektion nicht. Die Validierung der Kältesignaldetektionen mittels paralleler Kältebolus-ICG-Injektionen offenbarte, dass die präexistenten Auswertungsalgorithmen der Hauptkomponentenanalyse und des Bigauss-Algorithmus eine hohe Sensitivität von 90 % hinsichtlich anteilig richtig-positiver Kältesignaldetektionen erzielen. Jedoch wurden in 90 % der Referenzfälle falsch-positive Kältesignale erkannt, sodass eine geringe Spezifität und ein geringer positiv-prädiktiver Wert resultiert. Beide Algorithmen weisen eine hohe Fehleranfälligkeit auf und sind ungeeignet, um intraoperativ das systemische Kältesignal zuverlässig zu erfassen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der manuellen Analyse der ICG-Kältebolus-Referenzfälle konnte der optimierte AKE-Auswertungsalgorithmus (Automatisierte Kältesignaldetektion nach Empirischem Vorwissen) entwickelt werden. Der AKE-Algorithmus besitzt in den Referenzfällen eine Sensitivität von 100 % und eine qualitativ deutlich verbesserte Spezifität. Der AKE-Algorithmus ist in der Lage, im intraoperativen Einsatz die Kältesignale innerhalb weniger Minuten nach der Kältebolusinjektion zuverlässig in Form zweidimensionaler Parameterkarten zu visualisieren. Auf Basis des AKE-Algorithmus wurden die Kältesignalerfassungen in verschiedenen intrakraniellen Pathologien untersucht. Die Kältesignalparameter in Glioblastomen präsentieren neben einer großen Heterogenität eine durchschnittlich erhöhte Perfusion im Vergleich zum peritumoralen Gewebe in Form einer verminderten twash-in und einer erhöhten ttransit. Jedoch ist eine Identifizierung der Tumorgrenzen anhand der Kältesignaldetektionen nicht möglich, weil die Kältesignalparameter intra- und peritumoralen Gewebes nicht signifikant differieren. Bei der thermographischen Untersuchung maligner Hirninfarkte können die Infarktkerne bereits als hypotherme Kortexregionen und durch eine negative Kältesignaldetektion erfasst werden. Kollateralkreisläufe werden registriert und die Kältesignalparameter korrelieren mit dem postoperativen NIHSS. Die Kältesignalerfassung gelingt zunehmend im Übergang von CT-morphologisch demarkierten zu nicht-demarkierten Hirnarealen und zeigt begleitend eine kürzere twash-in. Damit besteht potenziell die Möglichkeit, in weiteren Untersuchungen die Penumbra zu untersuchen und prognostische Informationen zu gewinnen. Die Kältesignalerkennung bei AVMs konnte sicher erfolgen und die Perfusion der pathologischen Gefäßanteile nachweisen. Somit kann die Thermographie die vollständige Ausschaltung oberflächlicher AVMs unterstützen und ist des Weiteren in der Lage, die Perfusion des umgebenden Parenchyms zu beurteilen. Ebenso kann die Kältesignaldetektion bei der Operation von Aneurysmen zur Erfolgskontrolle und zur Erfassung Clip-bedingter kortikaler Minderperfusionen dienen. Schlussfolgerungen: Die thermographische Detektion eines systemischen Kältereizes ist möglich und kann intraoperativ zusätzliche Informationen generieren, die in operative Entscheidungen oder wissenschaftliche Untersuchungen einfließen können. Um einen robusten und zuverlässigen, intraoperativen Einsatz der thermographischen Kältesignaldetektion zu ermöglichen, sollten zukünftig ausschließlich 50 ml Boli, periphervenöse Injektionen und eine Injektionsgeschwindigkeit ≥ 5,4 ml/s verwendet werden. Für eine schnelle und zuverlässige, intraoperative Ergebnisgenerierung und -darstellung sollte der AKE-Algorithmus bevorzugt werden. Die thermographische Kältesignaldetektion eignet sich insbesondere für die Untersuchung primär vaskulärer Pathologien, wie Hirninfarkte, AVMs oder Aneurysmen.:Inhaltsverzeichnis A Abbildungsverzeichnis B Tabellenverzeichnis C Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Medizinische Grundlagen 2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie 2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie 2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen 2.1.2 Neuronavigation 2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung 2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken 2.2.2 Ultraschall 3 Thermographie 3.1 Physikalische Grundlagen 3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin 4 Zielstellung 5 Material und Methoden 5.1 Thermographische Messung 5.1.1 Messaufbau 5.1.2 Messinstrumentarium 5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung 5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals 5.2 Methoden der Datenverarbeitung 5.2.1 Vorverarbeitung der Daten 5.2.2 Hauptkomponentenanalyse 5.2.3 Bigauss-Algorithmus 5.3 Auswahl des Patientenkollektivs 6 Ergebnisse 6.1 Patientenkollektiv 6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse 6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus 6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle 6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli 6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli 6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus 6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus 6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik 6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter 6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich 6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse 7 Diskussion 7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion 7.2 Einflussfaktoren 7.2.1 Vitalparameter 7.2.2 Injektionsparameter 7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter 7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus 7.4.1 Glioblastom 7.4.2 Maligner Hirninfarkt 7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien 7.5 Thesen 8 Zusammenfassung / Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung 11 Anlage 1 12 Anlage 2 / Background: In intracranial surgery, intraoperative imaging of cerebral blood flow can support intraoperative decision making. An alternative to established methods of fluorescence-based techniques and duplex sonography is intraoperative perfusion imaging based on thermography. It receives temperature-dependent, infrared radiation, which depends on cerebral perfusion. Thermography combines the advantages of low-side-effects, contactless, repeated and economical use with a relatively low outlay on equipment. Objective/Hypothesis: In the present work the intraoperative temperature variations of the cortex are to be examined thermographically. The intravenous application of a cold fluid bolus creates a systemic cold stimulus that acts as a thermographic contrast agent. By examining the sensitivity of the cortical cold signal acquisition depending on the injection parameters of the fluid bolus and other intraoperative variables, a robust and clinically usable measurement setup is to be established. The information obtained should also be used to develop an evaluation algorithm for the automated, thermographic detection of the cortical cold signal. Finally, potential clinical application scenarios are described. Material and Methods: The thermographic recordings were made with uncooled focal plane array cameras with a thermal resolution of up to 20 mK. 97 patients were examined intraoperatively and a total of 210 cold bolus injections were administered. The underlying pathologies were mostly glioblastomas and cerebral metastases as well as gliomas II° / III°, brain infarctions, arteriovenous malformations and aneurysms. After surgical exposure of the cerebral cortex, the thermographic measurement of the cortex was started. This was followed by intravenous injection of the cold 0,9% saline boluses with a temperature of about 4 °C and a volume of 20 ml (59% of cases) or 50 ml (41% of cases) via a peripheral (76% of cases) or central venous line (24% of cases). The injection rate and vital parameters were registered. The thermographic sequences were subsequently subjected to data preprocessing in order to improve the signal-to-noise ratio. The resulting temperature-time series are evaluated to find cold signals using the principal component analysis according to Steiner et al., the Bigauss algorithm according to Hollmach and a manual analysis (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). The results were checked based on 10 parallel cold bolus ICG injections. The ICG signals were used as a reference for the cold signal detection. The cold signals were described by the parameters twash-in, tmin(T), trise, ttransit and ΔT. Results: Thermography can record smallest temperature variations of the cortex up to 20 mK. Periodic changes in temperature can be explained in part by physiological processes such as breathing and heart rate, while other spontaneous temperature fluctuations cannot yet be assigned to any pathophysiological equivalents. The systemic cold signal in the form of the intravenous cold bolus can be thermographically registered as a temperature drop during the cortical passage. The sensitivity of the cold signal detection is essentially determined by the injection parameters bolus volume, injection site and injection rate. It can be increased to more than 70% with a peripheral venous line, 50 ml bolus volume and an injection rate of ≥ 5.4 ml/s. The vital parameters do not influence the cold signal detection. The validation of the cold signal detection using parallel cold bolus and ICG injections revealed that the pre-existent evaluation algorithms of the principal component analysis and the Bigauss algorithm achieve a high sensitivity of 90 % with regard to proportionally correct-positive cold signal detection. However, false-positive cold signals were detected in 90% of the reference cases, resulting in low specificity and low positive-predictive value. Both algorithms are highly susceptible to errors and are unsuitable for reliably detection of the systemic cold signal intraoperatively. From the knowledge obtained from the manual analysis of the ICG - cold bolus reference cases, the optimized AKE evaluation algorithm (Automated Cold signal detection based on Empirical prior knowledge) was developed. In the reference cases, the AKE algorithm has a sensitivity of 100% and a qualitatively significantly improved specificity. The AKE algorithm is able to reliably visualize the cold signals in two-dimensional parameter maps within a few minutes after the cold bolus injection during intraoperative use. Based on the AKE algorithm, the cold signal recordings in various intracranial pathologies were examined. The cold signal parameters of glioblastomas showed a high degree of heterogeneity and on average an increased cerebral perfusion by reduced twash-in and increased ttransit compared to peritumoral tissue. However, an identification of the tumour borders based on the cold signal detection is not possible because the cold signal parameters of intra- and peritumoral tissue do not differ significantly. In the thermographic examination of malignant brain infarctions, the infarct cores can be detected as hypothermic cortex regions and by negative cold signal detection. Collateral circuits are registered thermographically and the cold signal parameters correlate with the postoperative NIHSS. The cold signal acquisition succeeds increasingly in the transition from CT-morphologically infarcted to non-infarcted brain areas and shows a smaller twash-in. Therefore, the cold bolus detection has the potential to investigate the penumbra and to obtain prognostic information. Cold signal detection in AVMs was carried out safely and the perfusion of the pathological vessels were demonstrated. Thus, thermography can support the complete elimination of superficial AVMs and is also able to assess the perfusion of the surrounding parenchyma. Cold signal detection can also be used in the operation of aneurysms to monitor complete elimination and clipping-related cerebral perfusion changes. Conclusions: The thermographic detection of the systemic cold stimulus is possible and can generate additional information intraoperatively, which can be incorporated into intraoperative decision making or scientific studies. In order to enable robust and reliable, intraoperative use of thermographic cold signal detection, further cold bolus examinations should be standardized with intravenous injection of 50 ml boluses via peripheral venous line and an injection rate ≥ 5.4 ml/s. The AKE algorithm should be preferred for fast and reliable, intraoperative result generation. Thermographic cold signal detection is particularly suitable for the investigation of primarily vascular pathologies such as brain infarctions, AVMs or aneurysms.:Inhaltsverzeichnis A Abbildungsverzeichnis B Tabellenverzeichnis C Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Medizinische Grundlagen 2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie 2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie 2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen 2.1.2 Neuronavigation 2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung 2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken 2.2.2 Ultraschall 3 Thermographie 3.1 Physikalische Grundlagen 3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin 4 Zielstellung 5 Material und Methoden 5.1 Thermographische Messung 5.1.1 Messaufbau 5.1.2 Messinstrumentarium 5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung 5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals 5.2 Methoden der Datenverarbeitung 5.2.1 Vorverarbeitung der Daten 5.2.2 Hauptkomponentenanalyse 5.2.3 Bigauss-Algorithmus 5.3 Auswahl des Patientenkollektivs 6 Ergebnisse 6.1 Patientenkollektiv 6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse 6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus 6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle 6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli 6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli 6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus 6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus 6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik 6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter 6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich 6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse 7 Diskussion 7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion 7.2 Einflussfaktoren 7.2.1 Vitalparameter 7.2.2 Injektionsparameter 7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter 7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus 7.4.1 Glioblastom 7.4.2 Maligner Hirninfarkt 7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien 7.5 Thesen 8 Zusammenfassung / Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung 11 Anlage 1 12 Anlage 2

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In its general section, the thesis 'Rehabilitation of Pediatric Patients after Epilepsy Surgery with Postoperative Motor Deficits' discusses epilepsy, treatment of intractable epilepsy and epilepsy surgery. Furthermore, a chapter on possible complications of epilepsy surgery in relation to the locomotor apparatus is included in the general section. The special section deals with rehabilitation in neurology, selected physiotherapy concepts and the relationship between epilepsy and movement activity. The aim of this thesis is to assess the effectiveness of the chosen rehabilitation procedure in five pediatric patients with post-operative motor deficiency. The Gross Motor Function Measure - 88, the Barthel Index and the Box and Blocks Test were used for objective motor assessment.

Intégrés dans un projet de développement d'un système multit-robots de neurochirurgie mini-invasive pour l'ablation de tumeurs, ces travaux ont pour objectif la conception et modélisation d'un robot déployable dans le cerveau, selon des trajectoires curvilignes, sans espace libre autour de sa structure et sans guide naturel pour aider à sa progression. Après définition de la tâche de déploiement, un état de l'art recense un large panel de concepts et une évaluation sélectionne un concept continu bio-inspiré des trompes d'éléphant. La solution modulaire du robot est définie et modélisée géométriquement en associant une chaîne cinématique aux mobilités continues du robot. Une statégie de déploiement, reposant sur une succession ordonnée d'extensions/rétractions locales pour une élongation itérative du robot est formalisée pour le cas générique à N modules, puis validée par des plans de simulations de robots ayant 1 à 3 modules (erreur de suivi inférieure à un mm). Sur un modèle d'étude de gels d'agar (texture proche du cerveau), les efforts de pénétration du robot dans le cerveau sont estimés, puis la conception CAO et la programmation d'un démonstrateur à ressorts sont réalisées. Une interface homme/machine, simulant et commandant le robot, est programmée et des tests sont effectués pour valider certains aspects du déploiement. Un deuxième démonstrateur actionné pneumatiquement est à finaliser pour procéder à une étude comparative des deux prototypes. Même si des perspectives d'amélioration restent à explorer, les résultats obtenus sont encourageants. Un travail collaboratif entre spécialistes de différents domaines devrait conduire à l'optimisation de ce robot de déploiement.