La planification chirurgicale repose sur l’anatomie du patient, et repose souvent sur l’analyse d’images médicales acquises avant la chirurgie. En particulier, c’est le cas pour les interventions de chirurgie pelvienne en pédiatrie, pour de nombreuses pathologies telles que des tumeurs et des malformations. Dans cette zone anatomique, en raison de sa forte vascularisation et innervation, une bonne planification chirurgicale est extrêmement importante pour éviter des lésions fonctionnelles des organes du patient, qui pourraient nuire a sa qualité de vie. En pratique clinique, la procédure standard repose sur l’analyse visuelle, coupe par coupe, des images de la région pelvienne. Cette tâche, même si elle est facilement accomplie par des radiologues experts, est très complexe et fastidieuse pour les chirurgiens, en raison de la complexité et de la variabilité des structures anatomiques et, par conséquent, de leurs images. De plus, en raison des variations anatomiques selon l’age du patient, toutes ces difficultés sont accentuées en pédiatrie et une compréhension anatomique claire est encore plus importante que pour les adultes. Pour ces raisons, il est important et utile d’être capable de fournir aux chirurgiens des modèles anatomiques 3D spécifiques aux patients, obtenus par traitement et analyse des images IRM.Dans cette thèse, nous proposons un ensemble de méthodes de segmentation d’images IRM de patients pédiatriques. Nous nous concentrons sur trois structures pelviennes importantes : les os du bassin, les vaisseaux sanguins et la vessie. Pour les os, nous proposons une méthode semi-automatique comportant une première étape de recalage de modèles osseux puis une étape de segmentation fine par modèles déformables. La principale contribution de la méthode proposée est l’introduction d’un ensemble de modèles osseux pour différentes tranches d’age, ce qui permet de prendre en compte la variabilité des os pendant la croissance. Pour les vaisseaux, nous proposons une méthode par patchs, apprentissage profond et transfert d’apprentissage, donc ne nécessitant que peu de donnes d’apprentissage. La principale contribution de ce travail est la conception d’une procédure semi-automatique pour l’extraction des patchs, qui permet a l’utilisateur de se focaliser uniquement sur les vaisseaux d’intérêt; et pour la planification chirurgicale. Pour la segmentation de la vessie, nous proposons d’utiliser une approche par modèles déformables, particulièrement robuste aux hétérogénéités de l’image et aux effets de volume partiel, souvent présents dans les images IRM pédiatriques. Toutes les méthodes proposées sont intégrées dans une plateforme logicielle libre pour le traitement d’images médicales, donnant aux chirurgiens des outils performants avec des interfacesutilisateur faciles a utiliser. De plus, nous mettons en place une stratégie de traitement et de portabilité pour la visualisation des modèles 3D du patient, permettant aux chirurgiens de générer, visualiser et partager ces modèles au sein de l’hôpital. En conclusion, les résultats obtenus avec les méthodes proposées sont quantitativement et qualitativement évalués de manière très positive par des chirurgiens pédiatriques, démontrant leurs potentialités pour l’utilisation en pratique clinique dans des procédures de planification chirurgicale. / Surgical planning relies on the patient’s anatomy, and it is often based on medical images acquired before the surgery. This is in particular the case for pelvic surgery on children, for various indications such as malformations or tumors. In this particular anatomical region, due to its high vascularization and innervation, a good surgical planning is extremely important to avoid potential functional damages to the patient’s organs that could strongly affect their quality of life. In clinical practice the standard procedure is still to visually analyze, slice by slice, the images of the pelvic region. This task, even if quite easily performed by the expert radiologists, is difficult and tedious for the surgeons due to the complexity and variability of the anatomical structures and hence their images. Moreover, due to specific anatomy depending on the age of the patient, all the difficulties of the surgical planning are emphasized in the case of children, and a clear anatomical understanding is even more important than for the adults. For these reasons, it is very important and challenging to provide the surgeons with patient-specific 3D reconstructions, obtained from the segmentation of MRI images. In this work we propose a set of segmentation tools for pelvic MRI images of pediatric patients. In particular, we focus on three important pelvic structures: the pelvic bones, the pelvic vessels and the urinary bladder. For pelvic bones, we propose a semi-automatic approach based on template registration and deformable models. The main contribution of the proposed method is the introduction of a set of bones templates for different age ranges, which allows us to take into account the bones variability during growth. For vessels segmentation, we propose a patch-based deep learning approach using transfer learning, thus requiring few training data. The main contribution of this work is the design of a semi-automatic strategy for patches extraction, which allows the user to focus only on the vessels of interest for surgical planning. For bladder segmentation, we propose to use a deformable model approach that is particularly robust to image inhomogeneities and partial volume effects, which are often present in pediatric MRI images. All the developed segmentation methods are integrated in an open-source platform for medical imaging, delivering powerful tools and user-friendly GUIs to the surgeons. Furthermore, we set up a processing and portability workflow for visualization of the 3D patient specific models, allowing surgeons to generate, visualize and share within the hospital the patient specific 3D models. Finally, the results obtained with the proposed methods are quantitatively and qualitatively evaluated by pediatric surgeons, which demonstrates their potentials for clinical use in surgical planning procedures.

Dans un contexte d’augmentation du nombre d’amétropes dans la population mondiale, et en conséquence, de l’accroissement du recours aux techniques de corrections chirurgicales, la compréhension et l’amélioration de celles-ci sont un enjeu crucial. Nous avons cherché à améliorer la prédictibilité de certains résultats postopératoires dans le cas d’un LASIK (Laser-Assisted In-Situ Keratomileusis), d’une PKR (Photorefractive Keratectomy) ou d'une chirurgie de la cataracte, et ainsi formuler des recommandations pratiques qui contribueraient au développement de stratégies de traitement davantage personnalisés. Pour cela, nous avons utilisé prospectivement des méthodologies de « contrôle de qualité » des chirurgies sur de larges échantillons de patients. Dans un premier temps, nous avons étudié la dynamique pupillaire dans le cadre de chirurgies au LASIK et notamment le rôle du centre pupillaire, point de référence important dans les stratégies de centrage. Nous avons également évalué la dynamique du diamètre pupillaire et les modifications du segment antérieur sur des yeux subissant une chirurgie de la cataracte. La seconde partie du travail s’est focalisée sur le rôle de l’épithélium dans la topographique cornéenne. Nous avons comparé les topographies spéculaires de l'épithélium et de la couche de Bowman sur des cornées saines et des cornées kératoconiques, présentant une myopie faible à modérée corrigée par PKR. Enfin, dans la dernière partie de notre recherche, nous nous sommes intéressés aux changements de paramètres anatomiques de l'oeil, des performances visuelles et de la qualité de vision subjective survenant dans un échantillon d’yeux myopes après un LASIK réalisé avec le laser WaveLight® Refractive Suite (Alcon® Laboratories Inc., USA). / While the number of ametropic eyes in the world’s population and consequently the use of surgical correction techniques is increasing, understanding and improving these techniques is a crucial issue. We sought to improve the predictability of certain postoperative results in the case of LASIK (Laser-Assisted In-Situ Keratomileusis), PRK (Photorefractive Keratectomy) and cataract surgery, and thus to formulate practical recommendations that would contribute to the development of more personalized treatment strategies. To achieve this objective, we have prospectively used "quality control" methodologies to assess surgeries performed on large samples of patients. First, we studied the pupillary dynamics in LASIK surgery and in particular the role of the pupillary centre, an important point of reference in the centration strategies. We also assessed the dynamics of pupillary diameter and anterior segment changes on eyes undergoing cataract surgery. The second part of the work focused on the role of the epithelium in the corneal topography. We compared specular topographies of the epithelium and Bowman's layer in healthy and keratoconus corneas with mild to moderate myopia corrected by PRK. Finally, in the last part of our research, we were interested in the changes in anatomical parameters of the eye, visual performance and subjective quality of vision occurring in a sample of myopic eyes after LASIK performed with the WaveLight® Refractive Suite (Alcon® Laboratories Inc., USA).

Heutzutage stellt die freie mikrovaskulär anastomosierte Lappenplastik den Goldstandard in der plastisch rekonstruktiven Wiederherstellungschirurgie dar. Dieses Verfahren findet mit zunehmender Häufigkeit Einsatz, um komplexe Gewebedefekte zu decken, eine drohende Endgliedamputation zu vermeiden, oder um nach onkologisch bedingten Tumorresektionen die Funktionsfähigkeit des Gewebeabschnittes zu rekonstruieren und ästhetisch zu formen. Obwohl die Erfolgsquote nach einem freien Gewebetransfer hoch ist, zeigt sich auch regelmäßig die Indikation zu Revisionseingriffen. Hauptverantwortlich hierfür sind meist Wundheilungsstörungen oder Insuffizienzen der mikrovaskulär geschlossenen Gefäßanastomosen. Meine Arbeit zielte auf die retrospektive Auswertung von freien Lappenplastiken im Zeitraum von Mai 2012 bis Oktober 2017 am Universitätsklinikum Leipzig. Hauptaufgabe war es, mögliche Risikofaktoren auf statistische Signifikanz zu überprüfen, um so mögliche Ausschlusskriterien zu finden, unter denen eine freie Lappenplastik mit einer erhöhten postoperativen Komplikationsrate einhergeht. Hierzu wurden 193 freie Gewebetransfers bei 177 Patienten aus der Abteilung für Plastische, Ästhetische und spezielle Handchirurgie näher betrachtet. 14 der 177 Patienten haben zwei, und ein Patient drei freie Hautlappentransplantationen erhalten, da bei diesen Patienten postoperativ Lappenkomplikationen aufgetreten sind. Bei 32 von 193 freien Gewebetransfers folgte eine komplette Lappennekrose auf die freie Lappenplastik. Daher ist es besonders wichtig, bereits präoperativ die potentielle Patientengruppe ausfindig zu machen, bei der postoperativ eine erneute Revisionsoperation indiziert sein könnte. Hierbei ist die Kenntnis über alle vorhandenen Risikofaktoren des jeweiligen Patienten der entscheidende Faktor. In dieser Arbeit wurden patientenbezogene Risikofaktoren wie ein erhöhtes Lebensalter, arterielle Hypertonie, Diabetes Mellitus, Nikotinabusus und ein erhöhter Body-Mass-Index untersucht und die Ergebnisse anschließend mit dem aktuellen Literaturstand verglichen. Es wurde der Frage nachgegangen, ob diese Risikofaktoren eine signifikante Verschlechterung des Lappenüberlebens nach sich ziehen und sich somit die Lappenkomplikationsrate erhöht. Ebenso wurden patientenunspezifische Einflussgrößen wie die Schnitt-Naht-Zeit der Operation, die Größe der operierten Lappenplastik, oder die Art und Weise der mikrovaskulären Anastomose statistisch analysiert. Besonders wichtig erscheint ebenfalls die postoperative Überwachung des frei transplantierten Lappens. So müssen Störungen der Mikrozirkulation schnellstmöglich detektier- und behebbar sein. Die Auswertung dieser Arbeit zeigt, dass im präoperativen Setting nahezu keine signifikanten Risikofaktoren relevant sind, die die Indikationstellung zu einer freien Lappenplastik verhindern. Auch verschiedene Anastomosetechniken mit einer oder zwei Venen oder Arterien und einer jeweiligen End-zu-End und End-zu-Seit Anastomose waren statistisch nicht signifikant. Allein die Zeit zwischen einem Unfallereignis oder dem letzten Débridement und der Deckung des entstandenen Gewebedefekts mit Hilfe einer freien Lappenplastik zeigte sich als signifikanter Faktor. Patienten die innerhalb der ersten 72 Stunden nach einem Unfall eine freie Lappenplastik erhalten haben, zeigten postoperativ eine höhere Lappennekroserate. Letztendlich zeigt diese Dissertation, dass es prä- peri- und postoperativ einer interdisziplinär engen Interaktion zwischen den einzelnen Fachbereichen der Inneren Medizin, Anästhesie, Unfall- und plastischer Chirurgie bedarf, um konstant ein möglichst positives Outcome für jeden Patienten nach freier Lappenplastik zu ermöglichen. Es existieren nach Auswertung aller Datensätze und unter Berücksichtigung aller vorhandenen Komorbiditäten der jeweiligen Patienten nahezu keine signifikanten patientenspezifischen Risikofaktoren. Die Indikation zur freien Lappenplastik kann somit bei größeren Gewebedefekten großzügig gestellt werden. In Anbetracht der Vielzahl vorhandener Möglichkeiten zur postoperativen Überwachung wäre auch am Universitätsklinikum Leipzig die Möglichkeit gegeben, eines dieser Verfahren zu standardisieren, um die totale Lappennekroserate von 16% langfristig zu minimieren. Diese Arbeit hat mit statistischer Signifikanz gezeigt, dass eine spätere plastische Deckung weniger Komplikationen, und vor allem weniger Lappenverluste im Vergleich zu einer frühzeitigen Rekonstruktion mit sich bringt. Zukünftig sollte die Stabilisierung des Patienten, das sequentielle Débridement und die knöcherne Rekonstruktion im Vordergrund durchgeführt werden. Im Zeitalter der Vakummversiegelung hat sich die Zeitspanne bis zur plastischen Deckung verlängert und die zusätzlichen Behandlungskosten könnten durch die besseren Ergebnisse begründet werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis ii Tabellenverzeichnis v 1 Einleitung 1 1.1 Historische Entwicklung der Mikrochirurgie 1 1.2 Geschichte der freien Lappenplastiken 1 1.3 Konzepte der Gewebedeckung im zeitlichen Wandel 3 1.3.1 Rekonstruktive Leiter 3 1.3.2 Rekonstruktiver Fahrstuhl 4 1.3.3 Rekonstruktives Uhrwerk 5 1.4 Lappenarten 6 1.4.1 Verschiedene Formen freier Lappenplastiken 6 1.5 Mikrochirurgische Anastomosen 8 1.6 Supermikrochirurgie 9 1.7 Anatomie und Operationstechnik des ALT-Lappens 9 1.8 Anatomie und OP-Technik des M. latissimus dorsi Lappens 13 1.9 Operationsindikationen 15 2 Zielsetzung der Dissertation 15 3 Material und Methoden 16 3.1 Art der klinischen Studie 16 3.2 Patientenkollektiv 16 3.3 Untersuchungsmethoden 16 3.4 Untersuchungsparameter 17 3.4.1 Demographische Daten 17 3.4.2 Klinische Größen 17 3.4.3 Risikofaktoren 17 3.4.4 Prä-, peri- und postoperative Daten 18 3.4.5 Patientenspezifische Risikofaktoren 21 3.4.6 Zeitspanne von Ursache bis Therapie mit freier Lappenplastik 21 3.4.7 Komplikationen 22 3.5 Statistische Auswertung 22 4 Ergebnisse 24 4.1 Patienten 24 4.1.1 Patientenkollektiv 24 4.1.2 Patientenalter und Geschlechtsverteilung 25 4.1.3 Lappenentnahmeregion 25 4.2 Operationsparameter 27 4.2.1 Operationsdauer 27 4.2.2 Anzahl der mikrovaskulär anastomosierten Blutgefäße 28 4.2.3 Verschiedene Varianten der mikrovaskulären Anastomosierung 33 4.2.4 Zeitspanne von Ursache bis Therapie mit freier Lappenplastik 38 4.2.5 Größe der freien Lappenplastik 41 4.2.6 Hebestellenmorbidität 43 4.2.7 Empfangsstelle der freien Lappenplastik 44 4.2.8 Stationäre Verweildauer 46 4.2.9 Gleichzeitige unfallchirurgische Versorgung 47 4.2.10 Kostenträger 49 4.2.11 Lernkurve 49 4.3 Patientenspezifische Risikofaktoren 51 4.3.1 Geschlecht 51 4.3.2 Erhöhtes Patientenalter 53 4.3.3 Body-Mass-Index 55 4.3.4 Arterielle Hypertonie 60 4.3.5 Nikotinabusus 62 4.3.6 Diabetes Mellitus 64 4.3.7 Kombination von Risikofaktoren 66 5 Diskussion 68 5.1 Methodik 68 5.2 Patientenkollektiv 69 5.3 Lappenarten 70 5.4 Patientenalter 71 5.5 Patientengeschlecht 72 5.6 Body-Mass-Index 73 5.7 Arterielle Hypertonie 75 5.8 Nikotinabusus 76 5.9 Diabetes Mellitus 77 5.10 Mikrovaskuläre Anastomose 78 5.11 Coupler Systeme 80 5.12 Schnitt-Naht-Zeit 81 5.13 Zeitspanne von Verletzung bis OP der freien Lappenplastik 82 5.14 Gleichzeitige unfallchirurgische Versorgung 83 5.15 Kostenträger 84 5.16 Lernkurve 85 5.17 Lappenmonitoring 85 6 Zusammenfassung 91 7 Literatur 94 8 Erklärung zur eigenständigen Abfassung der Arbeit 108 9 Danksagung 109 10 Lebenslauf 110

Le cancer de la prostate est le premier cancer en fréquence et la 3ème cause de mortalité chez l’homme en France, enjeu majeur de santé publique avec environ 50 000 nouveaux cas diagnostiqués par an. Son diagnostic est suspecté devant un toucher rectal anormal ou une élévation du taux de l’antigène spécifique prostatique (PSA). Les biopsies prostatiques randomisées, écho-guidées, sont actuellement recommandées en première intention pour confirmer le diagnostic et définir la localisation, le volume, et l’agressivité tumorale par le score de Gleason. Les difficultés de l’enseignement du geste de biopsie prostatique par compagnonnage, sans retour réellement quantifié sur la répartition des biopsies, sont une des explications du manque de précision des biopsies.C’est dans ce contexte qu’a été développé le simulateur Biopsym, environnement pédagogique permettant l’enseignement des biopsies prostatiques à l’aide de 7 exercices et d’un module simulant une série de 12 biopsies randomisées. Plusieurs niveaux d’assistance et un retour sur les performances réalisées par l’apprenant sont proposés. Une première étude avait permis de valider l’apparence et le contenu du simulateur, mais sa capacité à discriminer experts et novices (construit) n’avait pu être mise en évidence notamment en raison d’un manque de réalisme. Au cours de cette thèse, 2 nouvelles études de validation ont donc été réalisées sur une nouvelle version du simulateur. La première a permis d’en valider le construit. La seconde a permis de valider le transfert des compétences, c’est à dire la capacité des étudiants à reproduire les compétences acquises sur le simulateur en situation réelle. / Prostate cancer is the most common malignancy and the 3rd cause of death among men in France. It is a major public health problem with around 50 000 new cases diagnosed each year. The diagnosis is suspected based on an abnormal digital rectal examination or an increase in the prostatic specific antigen level (PSA). Systematic, randomized, ultrasound-guided prostate biopsies are currently recommended first-line to confirm the diagnosis and define the tumor location, volume, and aggressiveness using the Gleason grading system. The conventional training method, based on mentoring, without quantitative feedback on the distribution of the biopsies, has limitations which can partly explain the lack of precision offered by systematic prostate biopsies.The Biopsym simulator was designed in this context to enhance prostate biopsy teaching through 7 exercises and a module replicating the performance of a 12-core systematic biopsy scheme. Several levels of assistance can be offered and a performance feedback is provided. A first validation study allowed to validate face, content and reliability of the simulator, but failed to prove its ability to discriminate between experts and novices (construct validity), in part due to a lack of realism. Two new validation studies on the new version of the simulator were set up during this thesis. The first one allowed for validation of the construct. The second one was able to demonstrate the transfer of skills acquired on the simulator under real-life conditions.

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Das Arbeitsumfeld und die Arbeitsabläufe im Operationssaal werden durch die Einführung neuer technischer Systeme zunehmend komplexer. Dies resultiert in einem erhöhten Aufwand für Konfiguration und Informationssuche und kann den Arbeitsprozess des Chirurgen langwieriger und fehleranfälliger gestalten. Ein situationsangepasstes Verhalten der technischen Systeme kann zur Reduktion dieses zusätzlichen Arbeitsaufwands führen. Chirurgische Arbeitsprozesse sind jedoch durch eine hohe Varianz und schwer quantifizierbare Einflüsse, wie z.B. Patientenanatomie und -pathologie, gekennzeichnet. Im Rahmen der Dissertation werden die Workflowmanagementkonzepte auf die Anforderungen in der Chirurgie angepasst und damit ein Beitrag zur Weiterentwicklung des Operationssaals zu einer kooperativen technischen Arbeitsumgebung geleistet. Informationen über den aktuellen Verwendungskontext eines Medizingerätes, insbesondere über den chirurgischen Arbeitsprozess, sind für die Implementierung von intelligentem Verhalten technischer Systeme erforderlich. Im Fokus der Dissertation stehen dabei drei relevante Aufgabenbereiche für die Umsetzung situationsbezogener Konfiguration der technischen OP-Umgebung: Die formale Modellierung chirurgischer Arbeitsabläufe und ihrer Varianz, die intraoperative Verarbeitung von Prozessinformationen und, basierend darauf, die Implementierung geeigneter Assistenzfunktionen für den Chirurgen und das OP-Personal. Zur Umsetzung eines situationsangepassten Systemverhaltens von Medizingeräten wird ein Workflowinformationssystem (WIS) konzipiert und implementiert. Das WIS stellt prozessbezogene Informationen taxonomisch strukturiert im OP-Netzwerk bereit. Im Rahmen der Arbeit werden basierend darauf Implementierungsstrategien für eine regelbasierte Adaption von Medizingeräten vorgeschlagen. Die entwickel\ten Modellformen und Algorithmen werden anhand klinischer Anwendungsfälle aus der Augen-, der HNO- und der Neurochirurgie mit insgesamt rund zweihundert Aufzeichnungen chirurgischer Prozesse evaluiert. Außerdem werden exemplarische Anwendungen der entwickelten Technologien in Szenarien aus der HNO-Chirurgie im Rahmen eines realitätsnahen Demonstrators umgesetzt. Die Dissertation kombiniert und adaptiert Methoden aus den Bereichen maschinelles Lernen, Workflowmanagement und wissensbasierte Systeme, um Strategien zur Implementierung von workflow-gestützten Mehrwertfunktionen in vernetzten Operationssälen aufzuzeigen. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der formalen Repräsentation chirurgischer Abläufe und ihrer Varianzen sowie der Realisierung von regelbasiertem, situationsabhängigem Systemverhalten unter Berücksichtigung des erforderlichen Risiko\-managements für Medizingeräte.:1 Introduction 1 1.1 Scopes and aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Background 7 2.1 Today's operating rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Digital operating rooms and integration infrastructures . . . . . . . . . . 10 2.3 Workflows and process modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Business process modeling approaches . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Workflows in the surgical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.4 Surgical workflow recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Knowledge-based systems and context-awareness . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 Clinical use cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.1 Eye cataract surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 Functional Endoscopic Sinus Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.3 Lumbar discectomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4 Intracranial tumor removal procedures . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Positioning of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Modeling of surgical procedures 31 3.1 General modeling approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.1 Requirements of modeling and intraoperative tracking of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.2 Multi-perspective workflow modeling . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 Process instance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Generalized surgical process models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.1 State-transition models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.2 Surgical Workflow Trace Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Adaptive Trace Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Abstract surgical process models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.2 Modeling method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.3 Technical resource usage modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 Discussion on modeling of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . 54 4 Intraoperative processing and contextual information 57 4.1 Modeling of surgical situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Model network processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Evaluation of the situation classification . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.3 Discussion of situation classification . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2 Prediction of forthcoming work steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Process projection in graph-based models . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.2 Evaluation of projection results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3 Additional information entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Surgical procedure meta information . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Prediction of remaining intervention time . . . . . . . . . . . . . 77 4.4 Surgical process context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5 Framework for workflow-driven surgical assistance 91 5.1 Design of workflow-driven assistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.1.1 System environment and requirements . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.1.2 Risk management considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.3 Distributed assistance functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2 Workflow Information System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.1 Conceptualization of a Workflow Information System . . . . . . . 96 5.2.2 System design and implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.3 Discussion of the Workflow Information System concept . . . . . 101 5.3 Rule-based automation of OR configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Infrastructure and interaction patterns . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.3.2 Representation of rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.3 OR configuration profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6 Demonstration applications 109 6.1 Process-related data analysis tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2 Example clinical use case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.2.1 Simulated procedures in the demonstrator . . . . . . . . . . . . . 111 6.2.2 Demonstration setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.3 Workflow recognition under laboratory conditions . . . . . . . . . . . . . 113 6.4 Implemented assistance functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.4.1 Information presentation and documentation support . . . . . . . 118 6.4.2 Context-aware adaptation of OR equipment . . . . . . . . . . . . 125 6.5 Distributed context-aware automation in an integrated surgical working environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.5.1 Validation of the context-aware applications . . . . . . . . . . . . 131 6.5.2 Example assisted surgical procedure . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7 Conclusion and Outlook 143 7.1 Modeling of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.2 Intraoperative processing and contextual information . . . . . . . . . . . 145 7.3 Context-aware assistance technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Eine präoperative Niedrigenergiediät vor bariatrischer Operation kann sehr effektiv Lebergröße und viszerales Fettgewebe reduzieren, verringert den Blutverlust während der Operation und führt insgesamt zu einem kürzeren postoperativen Krankenhausaufenthalt, sowie rascheren Gewichtsverlust nach der Prozedur. Welche Diätzusammensetzung dabei am wirkungsvollsten ist, ist bisher unbekannt. In der vorliegenden prospektiven, randomisierten, kontrollierten klinischen Studie wurde der Einfluss zweier unterschiedlich zusammengesetzter 14-tägiger Niedrigenergiediäten auf Lebervolumen, Leberfettgehalt und viszerales Fettgewebe bei Patienten vor bariatrischer Operation untersucht. In die Studie aufgenommen wurden Patienten, die sich in der Sprechstunde der Bariatrischen Chirurgie der Universitätsklinik Leipzig zur bariatrischen Operation vorstellten, die weiteren Einschlusskriterien und keine der Ausschlusskriterien erfüllten und mit der Teilnahme an der Studie einverstanden waren. Zur Bestimmung der Zielparameter erfolgte eine MRT-Untersuchung vor und nach der Diätphase. Zudem wurde zu beiden Zeitpunkten eine Bioimpendanzanalyse (BIA) zur Bestimmung der Körperzusammensetzung und eine Umfangs-, Größen- und Gewichtsmessung durchgeführt. Es erfolgt jeweils eine Blutentnahme. Weiterhin führten die Probanden ein Ernährungstagebuch und füllten nach der Diätphase einen Fragebogen zur Lebensqualität aus, bestehend aus dem SF-36 und dem Gastrointestinalen Lebensqualitätsindex. Auch unerwünschte Wirkungen der Diätprodukte wurden festgehalten. Während der Operation wurde eine Probe der Leber zur histologischen Untersuchung entnommen, die Schnitt-Hautnaht-Zeit wurde festgehalten, ebenso eventuelle perioperative Komplikationen. Beide Diätgruppen waren bezüglich demografischer und klinischer Ausgangswerte vergleichbar. Die beiden Diätprodukte unterschieden sich der Zielvorgabe entsprechend in ihrer Zusammensetzung der Makronährstoffe signifikant. Ausgewertet wurden die Daten von 69 Probanden, bei denen zu beiden Messzeitpunkten eine MRT-Untersuchung vorlag. Es zeigte sich, dass beide Diätprodukte zu einer signifikanten Reduktion des Lebervolumens führten: In Gruppe 1 kam es zu einem Rückgang des Lebervolumens um 457 [349; 565] ml (p < 0,001), in Gruppe 2 um 342 [255; 429] ml (p < 0,001, p LED1 vs LED2 = 0,08). Der Leberfettgehalt sank um 18,35 [8,98; 27,71] % (LED 1: 14,77 [-2,6; 32,15] %, LED 2: 21,51 [11,64; 31,37] %, p LED1 vs LED2 = 0,413). Beim viszeralen Fettgewebe zeigte sich ein Rückgang um 202 [125; 278] ml. Auch Körpergewicht, BMI, Hüft-, Taillen-, Oberarm- und Halsumfang, sowie die mittels BIA-Messung bestimmte Fettmasse am Rumpf und die fettfreie Gesamtmasse sanken in beiden Gruppen signifikant ab. Ein Unterschied zwischen den Diätprodukten in der Reduktion der Zielparameter konnte nicht festgestellt werden. Beide Interventionen hatten einen positiven Einfluss auf Fett- und Glukosestoffwechsel und Inflammation. Die häufigsten Nebenwirkungen waren Obstipation, Diarrhoe, Bauchschmerzen und Schwindel. Es traten nur milde und moderate Nebenwirkungen auf. Beide Diätprodukte waren sicher und gut verträglich. Die erhobenen Daten lassen den Schluss zu, dass eine zweiwöchige Niedrigenergiediät das Lebervolumen, den Leberfettgehalt und das viszerales Fettgewebe effektiv und nebenwirkungsarm reduzieren kann. Eine bestimmte überlegene Diätzusammensetzung konnte nicht gefunden werden.:Inhaltsverzeichnis: Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Adipositas 1.2. Komorbiditäten 1.3. Therapie 1.4. Präoperative Low Energy Diet 1.5. Zielstellung dieser Arbeit 2. Patienten und Methoden 2.1. Fallzahlabschätzung 2.2. Studiendesign 2.3. Ablauf 2.4. Patienten 2.5. Randomisierung 2.6. Intervention 2.7. Erhobene Daten 2.8. Statistik 3. Ergebnisse 3.1. Studieneinschlussverfahren 3.2. Soziodemografische Angaben und Begleiterkrankungen 3.3. Intervention und Compliance 3.4. Anthropometrie 3.5. Lebervolumen, Leberfettgehalt, viszerales und subkutanes Fettgewebe 3.6. Histologie 3.7. Körperzusammensetzung 3.8. Laborparameter 3.9. Schrittzahl 3.10. Lebensqualität 3.11. Operationsdauer und Komplikationen 3.12. Unerwünschte Ereignisse, Therapieabbruch/Änderung 4. Diskussion 5. Zusammenfassung der Arbeit 6. Literaturverzeichnis Anhang Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Lebenslauf, Publikationen Danksagung

Les patients présentant une pathologie rachidienne dégénérative témoignent généralement de douleurs ayant un retentissement sur leurs capacités locomotrices. L’évaluation préopératoire des individus repose actuellement sur la réalisation d’auto-questionnaire déclaratifs validés qui permettent d’approximer l’état fonctionnel. Aucun consensus sur l’analyse des résultats d’une chirurgie rachidienne n’est actuellement établi. Les capacités fonctionnelles réelles sont intéressantes pour étudier l’impact des pathologies rachidiennes. L’évaluation des capacités locomotrices et fonctionnelles de manière quantitative pourrait être utilisé afin d’améliorer la prise en charge des patients. L’objectif de cette thèse est d’utiliser l’évaluation des capacités locomotrices des patients comme marqueur des capacités fonctionnelles pour décrire une sémiologie quantifiée des patients candidats à une chirurgie du rachis.Matériels et méthodes :Mise en place du projet SPEED (Évaluation quantitative de la motricité avant et après une chirurgie du rachis chez les patients atteints de pathologie rachidienne dégénérative). Ce protocole prospectif a été mis en place en 2016 avec une période d’inclusion de 2 ans. Au total 40 patients ont été inclus dans cette étude. Les données présentées dans ce manuscrit correspondent aux études ancillaires de nos résultats. Cette thèse se compose de 4 articles principaux : évaluation quantitative clinique puis radiologique des patients, modélisation de l’équilibre sagittal permettant une quantification de l’équilibre sagittal dynamique, et méta-analyse sur la capacité discriminante de l’analyse quantifiée du mouvement au sujet du mouvement du tronc et du pelvis.Résultats :Premièrement, pour la partie clinique, nous trouvons un décalage important entre les limitations perçues et celles réelles des capacités de marche chez les patients atteints de canal lombaire étroit. L'évaluation directe de la vitesse de marche libre est plus pertinente que le périmètre de marche car elle est corrélée à l'état fonctionnel et est plus facile à mettre en œuvre dans la pratique.Deuxièmement, concernant l’analyse radiologique, nous trouvons une amélioration de l'équilibre sagittal et de la lordose lombaire après une chirurgie de décompression lombaire postérieure sans fusion. Cette amélioration est surtout retrouvée chez des patients qui présentent des troubles posturaux antalgiques liée à la sténose lombaire. Cette compensation antalgique est difficile à différencier des troubles statiques avec nos outils de mesure actuels.Troisièmement, concernant l’analyse du mouvement, nous avons réalisé la première étude montrant que les paramètres de mouvement 3D peuvent estimer correctement la « sagittal vertical axis » calculée sur l'imagerie. De plus, cette estimation pourrait être utilisé lors de l'analyse de la marche et nous pensons qu'un tel type d'analyse permettrait de mieux caractériser les déficiences des patients.Quatrièmement, concernant l’analyse quantifiée tronc/pelvis, nous confirmons que les patients lombalgiques présentent une coordination tronc/pelvis différente dans le plan transverse au cours de la marche. De plus, notre méta-analyse confirme et révèle cette différence significative en montrant une coordination plus en phase pour les patients lombalgiques par rapport aux sujets en bonne santé pendant la marche. La coordination entre ces mouvements est plus rigide en présence de lombalgie et refléterait les adaptations neuromusculaires nécessaires pour adopter un comportement de protection sans douleur pendant la marche. / IntroductionPatients with degenerative spinal pathology generally report pain that affects their locomotor abilities. The preoperative assessment is currently based on the completion of validated self-questionnaire declarations that allow to approximate the functional state. No consensus on analyzing the results of spinal surgery is currently established. The actual functional capacities are interesting to study the impact of spinal pathologies. The evaluation of locomotor and functional capacities in a quantitative way could be used to improve the management of patients. The aim of this thesis is to use the evaluation of patients' locomotor capacities as a marker of functional abilities to describe a quantified semiology of patients who are candidates for spine surgery.Materials and methods:Implementation of the SPEED project (Quantitative motor capacities evaluation before and after spinal surgery in patients with degenerative spinal pathology). This prospective protocol was implemented in 2016 with an inclusion period of 2 years. 40 patients were included in this study. The data presented in this manuscript correspond to the preliminary studies of our results. This thesis is composed with 4 main researches: clinical and radiological quantitative evaluation of the patients, sagittal equilibrium modeling allowing a quantification of the dynamic sagittal equilibrium, and meta-analysis on the discriminant capacity of the quantified analysis of the movement about the movement of the trunk and pelvis.Results:First, for the clinical part, we find a significant gap between perceived and actual limitations of walking ability in patients with lumbar spinal stenosis. The direct evaluation of the comfortable walking speed is more relevant than the walking perimeter because it correlates to the functional state and is easier to implement in practice.Second, concerning radiological analysis, we find an improvement in sagittal balance and lumbar lordosis after posterior lumbar decompression without fusion. This improvement is mostly found in patients with postural analgesic disorders related to lumbar stenosis. This analgesic compensation is difficult to distinguish from static disorders with our current measurement tools.Third, regarding motion analysis, we performed the first study showing that 3D motion parameters can correctly estimate the sagittal vertical axis computed on imaging. In addition, this estimate could be used during the gait analysis and we believe that such a type of analysis would better characterize patients' impairments during walking.Fourth, concerning the quantified trunk / pelvis analysis, we confirm that low back pain patients have different trunk / pelvis coordination in the transverse plane during walking. In addition, our meta-analysis confirms and reveals this significant difference by showing more in-phase coordination for low back pain patients compared to healthy subjects during walking. The coordination between these movements is more rigid in the presence of low back pain and reflects the neuromuscular adaptations necessary to adopt a painless protection behavior during walking.Conclusion:Quantitative analysis of function and locomotion through the use of different functional and dynamic measures provides a better assessment of patients. This analysis can be done through complementary walk tests that are easy to implement in our daily practice, but also by new technologies using motion analysis.

The prevalence of post-bariatric complications and post-bariatric leaks has dramatically increased over the last two decades, in line with the pandemic of morbid obesity and the growing number of bariatric surgeries. For bariatric leaks, re-operation with drainage, and possibly an attempt at surgical closure, has, for a long time, been considered as the only possible treatment.In the early 2000s, our team started to be involved in post bariatric complications management and, with the experience we acquired in other diseases associated with upper gastrointestinal leakages, endotherapy became logically a good theoretical option to treat these leaks. It offers a potentially less invasive alternative to an unsatisfactory surgical management.Insertion of a self-expandable stent to cover the leak and facilitate its closure was our initial treatment strategy. Our retrospectives studies in this field, in addition to demonstrating good results, helped to identify major clinical factors associated with treatment success, such as early endoscopic management after leakage diagnosis. We promoted the use of partially covered stents which helps to reduce the risk of migration, probably increases watertightness, and can be efficiently extracted after the insertion of a fully covered stent.However, post bariatric leaks is a serious and difficult clinical situation and we experienced disappointing results with stent treatment alone in several patients. This led us to develop complementary techniques, such as fistula plug insertion or internal drainage with double pig tail stents, which provided additional positive results. Internal drainage even appears to be effective as an isolated strategy in selected patients.The present work illustrates the evolution of this new clinical modality and demonstrates, based on our published results, how endotherapy has become a first-line option that now plays a pivotal role in the multimodal approach to post-bariatric leakage. We show that, in the hands of an experienced team and with treatment tailored to the variety of clinical presentations, endotherapy can reach almost 90% success. Based on our results and on our current experience, we propose a treatment algorithm for management of post bariatric leaks and fistulas in which deployment of intraluminal self-expandable stents remains the cornerstone.As prospective and comparative study for management of this life-threatening complication are lacking, we also propose several direction for future clinical researches in this area which could help to standardize the multimodal treatment of post-bariatric leaks. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Hirschsprung’s disease is a common pathology in pediatric surgery. Besides, long-term outcome of surgically-treated patients remains a crucial issue. The management of Hirschsprung’s disease has remarkably advanced over the years, but difficulties persist particularly in the developing countries (such as Vietnam), where essential diagnostic procedures, such as preoperative histopathological exploration techniques/ facilities (mainly for acetylcholinesterase staining), or adequate postoperative management and follow-up requirements are unavailable.We, therefore, contemplated to work-out a relevant histo-diagnostic approach to overcome these constraints that limit our diagnostic approaches, namely, in Vietnam, and we introduced a “less-demanding” diagnostic approach, namely calretinin immunohistochemical staining which is known to be adequate for formalin-fixed tissues (and thus not necessitating frozen section equipment). We thus used calretinin immunohistochemistry in a prospective study on a large cohort of Vietnamese HD cases. Results showed that rectal suction biopsy using calretinin immunohistochemistry provides an effective histopathological diagnostic tool that can replace AChE and provides a valuable evaluating approach for both preoperative and postoperative management.In addition, we also studied long-term outcome in operated patients and impact of postoperative morbidities on their quality of life. Indeed, a long-term multidisciplinary management with dedicated procedures such as anorectal manometry is essentially required for patients with severe defecation disorders. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished