Depuis son émergence, la médecine nucléaire ne cesse d’évoluer. A la fois diagnostique et thérapeutique, elle occupe une place importante dans la stratégie médicale moderne. L’imagerie nucléaire consiste après injection au patient d’un radiotraceur, à détecter le rayonnement émis. Elle donne accès quantitativement à la fonctionnalité des organes ou à la localisation de structures cibles telles que des lésions tumorales. Cette imagerie a naturellement intégré les procédures chirurgicales en particulier en cancérologie (en pré et per opératoire). On parle de chirurgie radioguidée. Cette dernière permet de localiser lors du geste chirurgical les structures radiomarquées devant être retirées.Les avancées technologiques au niveau des radiopharmaceutiques et en instrumentation sont à l’origine de nouvelles stratégies de radioguidages pouvant cibler de petites structures. L’imagerie par rayonnement gamma reste la plus répandue et la mieux adaptée. On assiste au développement de dispositifs d’imagerie gamma portables miniaturisés permettant un contrôle visuel en per opératoire. Ces dispositifs sont prometteurs mais doivent être évalués.Un état des lieux des différentes procédures en chirurgie radioguidée et des imageurs utilisés en clinique est réalisé dans cette thèse.Le laboratoire Imagerie et Modélisation en Neurobiologie et Cancérologie (UMR 8165) développe de longue date de nouvelles approches de détection miniaturisée pour les différents types de rayonnement. Parmi celles-ci le prototype de deuxième génération appelé TReCam.Cette mini gamma caméra présente un champ de vue de 4,9 x 4,9 cm2 et intègre des technologies d’imagerie directement issues de la physique des particules. Elle est formée d’un collimateur à trous parallèles, d’un scintillateur continu LaBr3 (Ce) lu par un photomultiplicateur multi-anode et son électronique. Le système d’acquisition donne au chirurgien un affichage en temps réel de l’image radioactive.Ce travail de thèse a consisté également à évaluer la place des imageurs portables en chirurgie radioguidée, en particulier mammaire, à travers l’évaluation de la procédure SNOLL (repérage par marquage ɣ de la tumeur (T) et des ganglions sentinelles (GS)) avec TreCam. Il a reposé sur trois parties.Un premier volet a visé l’optimisation des performances de TReCam pour favoriser la localisation de structures peu radioactives dans des temps d’exposition de l’ordre de la dizaine de secondes. Pour ce faire, différentes stratégies d’optimisation des performances ont été mises en place au niveau du collimateur, de l’électronique et des algorithmes de traitement (dont réseaux de neurones) pour améliorer l’homogénéité de la détection.Le deuxième volet visait à objectiver les performances cliniques de TReCam pour la procédure SNOLL et situer les limites de son exploitation. A l’aide de simulations menées sur la plateforme GATE et modélisant la scène opératoire au plus près de la réalité clinique, nous avons montré que TreCam peut détecter des GS jusqu’à 4,5 cm de profondeur et situé à 4 cm de la T. L’impact du temps de pose n’est pas important. Par contre, le choix de la bonne fenêtre en énergie est primordial.Enfin, le troisième volet concrétise l’ambition interdisciplinaire de cette thèse. Il est consacré à l’évaluation clinique de TReCam à travers l’étude de son apport à la procédure SNOLL mammaire. Cette étude prospective interventionnelle incluant de 47 patientes (22 procédures SNOLL utilisant TReCam aux différents temps de la procédure et 25 procédures SNOLL standard). Les résultats ont montré un intérêt qualitatif à l’utilisation de TReCam en apportant un confort visuel lors de la procédure en complément de la sonde monopixel.Ce travail a montré l’intérêt de tels imageurs en chirurgie radioguidée mais aussi situé leurs limites actuelles. Des efforts de développement doivent être poursuivis tant au niveau des détecteurs qu’au niveau des radiopharmaceutiques utilisés pour le repérage. / Since its emergence in the middle of the twentieth century, nuclear medicine continues to evolve. At the same time diagnostic and therapeutic, it occupies an increasingly important place in the modern medical strategy. Nuclear imaging consists of injecting the patient with a radio-tracer to detect the radiation emitted. It provides quantitative access to the functionality of organs or the location of target structures such as tumor lesions. This imaging has been naturally integrated into surgical procedures, particularly in oncology (preoperatively and then intraoperatively). It is called radio-guided surgery. It makes possible to locate the radioactive target which will be removed during surgery.Technological advances in radiopharmaceutical instrumentation are driving new strategies that can target small structures. Gamma-ray imaging remains the most widespread and the most suitable. We are witnessing the development of miniaturized portable gamma imaging devices that allow visual control during surgery. These devices are promising but need to be evaluated.A short state-of-the-art of the various procedures in radioguided surgery and imagers used clinically is carried out in this thesis.For many years, the Imaging and Modeling in Neurobiology and Oncology Laboratory (UMR 8165) has been developing new miniaturized detection approaches for different types of radiation. Among them is the second-generation prototype called TReCam.This mini gamma camera has a field of view of 4.9 x 4.9 cm2 and integrates imaging technologies directly from particle physics. It consists of a collimator with parallel holes, a continuous scintillator LaBr3 (Ce) read by a multi-anode photomultiplier (PSPMT) and its electronics. The acquisition system gives the surgeon a real-time display of the radioactive image.This thesis work also consisted in evaluating the place of portable imagers in radioguided surgery, in particular mammary surgery, through the evaluation of the SNOLL procedure (identification of the tumor (T) and the sentinel lymph nodes (GS) by γ-labeling) with TreCam. It is based on three parts.The first part aimed at optimizing the performance of TReCam to improve the localization of lowradioactive structures with exposure times of around 10 seconds. To do this, different performance optimization strategies have been implemented in the collimator, electronics and processing algorithms (including neural networks) to improve the homogeneity of the detection. These performances were compared to those of a prototype developed at IMNC and integrating a new generation of photodetectors: the SiPM.The second part aimed to objectify the clinical performance of TReCam in the SNOLL procedure and to situate the limits of its exploitation. Using simulations conducted on the GATE platform and modeling the operating scene closer to clinical reality, we have shown that TreCam can detect GS up to 4.5 cm deep and located 4 cm from the T. Impact of the exposure time is not important. On the other hand, choosing the right energy window is essential.Finally, the third part concretizes the interdisciplinary ambition of this thesis. It is devoted to clinical evaluation of TReCam through the study of its contribution to the SNOLL breast procedure. This prospective interventional study included 47 patients (22 SNOLL procedures using TReCam at different times of the procedure and 25 standard SNOLL procedures). The results showed a qualitative interest in the use of TReCam by bringing a visual comfort during the procedure and must be used in addition to the monopixel probes.This work has shown the interest of such imagers in radioguided surgery but also set their current limits. Development efforts must be pursued at the level of both detectors and radiopharmaceuticals used for tracking.

Contexte : La greffe osseuse alvéolaire est désormais considérée comme une étape clé du traitement chirurgical des fentes labio-palatines. La particularité de cette greffe réside dans sa géométrie particulière car l’os spongieux est alors placé entre deux surfaces corticales. Méthodes : L’objectif de cette recherche est d’abord d’obtenir, à l’aide d’une revue de la littérature, une meilleure compréhension de l’histoire de la greffe, des matériaux utilisés et des facteurs influençant son résultat. Ce travail se porte ensuite sur le développement d’un modèle permettant de simuler les résultats de la greffe en fonction de l’influence de différents paramètres, en particulier l’effet du compactage mécanique sur la greffe osseuse. Les caractéristiques de la greffe sont observées en fonction de la magnitude de la force appliquée (0 à 50 N). L’os spongieux fémoral et iliaque est utilisé. Une analyse par microscanner et des cultures de CFU-F sont effectuées. Résultats : Le micro-scanner permet une caractérisation précise de la structure du greffon en fonction de la force de compaction appliquée 0, 5, 20 et 50N. Le nombre de CFU-F (Colony Forming Units-Fibroblats) révèle que l’application d’une force de compaction a un impact positif sur la prolifération cellulaire. Conclusion : Cette recherche tend à mieux comprendre le remodelage osseux influencé par les forces de compaction dans le cas particulier de la fente alvéolaire, l'objectif ultime étant de guider le chirurgien vers un résultat optimisé. / Background and purpose: Alveolar cleft bone grafting is now widely accepted as one step of cleft surgical treatment. The peculiarity of this graft stands in its particular geometry: bone is placed in between two cortical surfaces. Methods: The objective of this research is first to get, trough literature, a better comprehension of graft history, graft materials and influencing factors of bone graft integration. Then this work aims to develop a model to simulate graft results according to the influence of different parameters, especially the effect of mechanical compaction on bone graft. Graft features are observed relying on magnitude of the applied force (0 to 50N). Cancellous human femoral and iliac bones are used. Micro-CT scanning and CFUs culture are performed. Results: Micro-CT scan gives a precise characterization of the structure of the graft depending of the applied compaction forces 0, 5, 20 and 50N. The number of CFUs (Colony Forming Units) shows a positive impact of compaction force on mesenchymal stem cells proliferation. Conclusion: This research tends to better understand the bone remodeling influenced by compaction forces in the alveolar cleft particular environment, with the ultimate objective to guide the surgical procedure.

Die Behandlung von Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich gestaltet sich als komplexer und herausfordernder Prozess sowohl für den Patienten als auch für die behandelnden Ärzte und Chirurgen. Zur Gewährleistung der bestmöglichen individuellen Therapie werden vor Beginn der Behandlung zahlreiche diagnostische Verfahren durchgeführt. Hierzu zählen unter anderem medizinische bildgebende Verfahren wie z.B. Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) sowie die Entnahme von tumorverdächtigem Gewebe während einer Panendoskopie zur exakten Bestimmung der Tumorart (Histologie, Grading, TNM-Klassifikation nach UICC, genaue Lokalisation des Primärtumors, der lokoregionären Metastasen und ggf. Fernmetastasen). Die gewonnenen Informationen bilden anschließend die Grundlage für die Entscheidung über die durchzuführende Therapie und stehen in unterschiedlichen klinischen Informationssystemen sowie auf Papierakten zur Verfügung. Leider werden die Daten im klinischen Alltag häufig nur unstrukturiert und schwer auffindbar präsentiert, da die führenden Informationssysteme nur unzureichend in den klinischen Arbeitsprozess integriert und untereinander schlecht vernetzt sind. Die präzise und erschöpfende Darstellung der jeweiligen individuellen Situation und die darauf aufbauende Therapieentscheidung sind aber entscheidend für die Prognose des Patienten, da der erste, gut geplante \"Schuss\" entscheidend für den weiteren Verlauf ist und nicht mehr korrigiert werden kann. In dieser Arbeit werden neue Konzepte zur Verbesserung des Informationsmanagements im Bereich der Kopf-Hals-Tumorbehandlung entwickelt, als prototypische Software implementiert und im klinischen Alltag in verschiedenen Studien wissenschaftlich evaluiert. Die Erlangung eines tiefgreifenden Verständnisses über die klinischen Abläufe sowie über beteiligte Informationssysteme und Datenflüsse stellte den ersten Teil der Arbeit dar. Aufbauend auf den Erkenntnissen wurde ein klinisches Informationssystem oncoflow entwickelt. Oncoflow importiert vollautomatisch relevante Patientendaten von verschiedenen klinischen Informationssystemen, restrukturiert die Daten und unterstützt Ärzte und Chirurgen im gesamten Therapieprozess. Das System wurde anschließend in unterschiedlichen Studien evaluiert und der klinische Nutzen in Bezug auf effizientere Arbeitsabläufe und eine verbesserte Informationsqualität gezeigt. Im folgenden Teil der Arbeit wurden Machine Learning Methoden genutzt um von Daten in der elektronischen Patientenakte auf den aktuellen Prozessschritt im Therapieprozess zu schließen. Der letzte Teil der Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Erweiterung des Systems zur Nutzung in weiteren klinischen Fachdisziplinen auf.

Title: The Effect of Exercise Intervention on Physical Fitness and Quality of Life in Patients after Bariatric Surgery Objectives: The aim of this thesis is to evaluate the effect of a three-month physical intervention on the physical fitness and quality of life in patients after bariatric surgery. Compare the measured values from six-minute walk test (6MWT) and the questionnaire survey of quality of life between the group undergoing exercise program and the group of non-exercise patients. Methods: The diploma thesis was constructed as a quasi-experiment. A six-minute walk test, a visual analogue pain scale, a Borg scale and a standardized IWQOL-Lite questionnaire were used to asses physical fitness and quality of life. The study involved 28 patients (8 undergoing an exercise program, 20 non-excercisers). The groups were measured before the planned bariatric surgery and about 3-4 months after the surgery. For the analysis of final values, the Microsoft Excel and its add-in Realstatistics was used. Results: In patients undergoing the exercise program, the VAS on average decreased of 2,04 cm, 6MWT improved on average of 42,75 m, and quality of life of 34 points. In non-exercise patients there was an average decrease in VAS of 0,08 cm, an increase in 6MWT of 41,45 m and an increase in quality of life...

Ursache des klinisch durch die Amsterdam-Kriterien definierten HNPCC sind hochpenetrante Keimbahnmutationen in den DNAMismatchrepair( MMR)-Genen MLH1, MSH2, seltener in MSH6 und PMS2. Mutationsträger in diesen MMR-Genen haben ein hohes kumulatives Risiko (52–92%) für die Entwicklung kolorektaler – einschließlich syn- und metachroner – Karzinome, die sich meist in früheren Lebensjahren als bei sporadischen Fällen entwickeln. Darüber hinaus findet sich bei diesen Mutationsträgern ein deutlich erhöhtes Risiko für extrakolonische Karzinome, insbesondere des Endometriums, seltener der Ovarien, des Magens, der ableitenden Harnwege und des Dünndarms. Aus dieser Risikokonstellation erwächst die Frage nach einem spezifischen, individualisierten Therapiekonzept bei HNPCC-Patienten bzw. Mutationsträgern. Prinzipiell könnten drei Möglichkeiten des chirurgischen Vorgehens bezüglich des Kolorektums in Frage kommen: 1. prophylaktische Resektion bei gesunden Mutationsträgern 2. onkologische Resektion bei Karzinommanifestation 3. erweiterte Resektion mit zusätzlich prophylaktischer Intention bei Manifestation des ersten Kolon- oder Rektumkarzinoms. Die erste Möglichkeit kann nach kritischer Evaluation verschiedener Argumente als Option der Prävention nicht empfohlen werden. Zur Zeit kann sicherlich auch keine endgültige Empfehlung abgegeben werden, ob die zweite oder dritte Option des operativen Vorgehens favorisiert werden sollte. Die Indikation zur prophylaktischen Hysterektomie und Oophorektomie sollte nach ausführlicher genetischer, chirurgischer und gynäkologischer Beratung bei postmenopausalen Patientinnen, die die Amsterdam-Kriterien erfüllen oder Trägerinnen einer pathogenen Keimbahnmutation in einem MMR-Gen sind und bei denen dieser Eingriff mit einer anderweitig indizierten Operation kombiniert werden kann, erwogen werden. Eine exakte Prädiktion des individuellen Risikos und Erkrankungsalters auf Grundlage der Analyse von Interaktionen zwischen endogenen und exogenen, modifizierenden Faktoren ist Voraussetzung für individuelle Empfehlungen für «maßgeschneiderte»Vorsorgeprogramme oder prophylaktische chirurgische Maßnahmen. / Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC), clinically defined by the Amsterdam criteria, is caused by highly penetrant germ line mutations in DNA mismatch repair (MMR) genes, mostly in MLH1 and MSH2, infrequently in MSH6 und PMS2. Mutation carriers are at high cumulative risk (52-92%) for developing colorectal cancer (CRC), including syn- and metachronous colorectal carcinomas, with a younger age of onset compared with sporadic CRC. In addition, there is a remarkably increased risk in these mutation carriers for extracolonic carcinomas, especially for endometrial and ovarian carcinomas but also for gastric, ureter and renal pelvis and small bowel cancer. Therefore, the question arises if an individually tailored conception of treatment should be applied to HNPCC patients and mutation carriers. On principle, there are three options of surgical approach conceivable concerning the colorectum: i) prophylactic resection in healthy mutation carriers ii) oncological resection in the case of CRC iii) extended resection with an additional prophylactic intent in the case of first CRC. After critical evaluation of various arguments, the first option cannot be recommended for CRC prevention. However, a final recommendation neither for the second nor the third option of surgical approach can be given at the moment. The indication for a prophylactic hysterectomy and oophorectomy should be weighted in the following postmenopausal patients after intensive genetic, surgical and gynecologic counselling: patients fulfilling the Amsterdam II criteria or who have been identified as mutation carriers of a disease causing germ line mutation in one of the MMR genes and who have to be operated on due to another cause. A precise prediction of the individual risk and age of onset on the basis of the analysis of interactions between endogenous and exogenous modifying factors is the precondition for recommendations concerning individually tailored surveillance or prophylactic surgery. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Brain metastases are treated with surgery, radiotherapy, radiosurgery, and chemotherapy. In this review, recently published studies concerning different treatment strategies are presented with respect to solitary lesions, multiple metastases, and recurrent tumor growth. Selection criteria for the appropriate therapy are: control of the primary tumor, extent of extracerebral metastases, time interval between diagnosis of the primary tumor and the development of cerebral lesions, number of cerebral metastases, Karnofsky performance scale score, and age. Treatment approaches were evaluated with respect to median survival time and quality of life. A singular brain metastasis can be treated with surgery or with radiosurgery. Especially when the primary tumor is under control, there are few extracerebral lesions which are stable, the Karnofsky performance scale score is above 70, the lesion is larger than 3 cm in diameter and surgically accessible surgery is the treatment of choice. Postoperative adjuvant radiotherapy may delay relapse. Median survival time ranges between 10 to 18 months. Radiosurgery can be applied in lesions smaller than 3 cm in diameter and is the treatment of choice in lesions which are surgically not accessible. Multiple metastases are treated either by conventional radiotherapy, radiosurgery or surgery. Commonly, no more than 3 lesions are approached by either surgery or radiosurgery. Median survival time ranges between 6 to 9 months for both treatment concepts, but without therapy only is 4–6 weeks. According to the clinical and neurological condition of the patient, recurrent brain metastases can be treated by operation, reirradiation, or radiosurgery. The efficacy of chemotherapy depends on the chemosensitivity of the primary tumor and the ability to penetrate the blood-brain barrier. Long-term survivors with cancer disease encourage to perform active treatment strategies. / Hirnmetastasen werden durch Operation, Ganzhirnbestrahlung, Radiochirurgie und Chemotherapie behandelt. In dieser Übersichtsarbeit werden kürzlich publizierte Studien bezüglich der Therapiekonzepte für solitäre Läsionen, multiple Metastasen und Tumorrezidive vorgestellt. Auswahlkriterien für eine angemessene Behandlung sind: Kontrolle des Primärtumors, Ausmaß der extrakraniellen Metastasen, Zeitintervall zwischen Diagnose des Primärtumors und dem Auftreten der Hirntumoren, Anzahl der zerebralen Metastasen, Karnofsky-Performance-Scale-Score und Lebensalter. Behandlungskonzepte wurden nach der medianen Überlebenszeit und Lebensqualität ausgewertet. Singuläre Hirnmetastasen können operativ oder radiochirurgisch behandelt werden. Insbesondere wenn der Primärtumor unter Kontrolle ist, wenige extrazerebrale Läsionen bestehen und diese stabil sind, der Karnofsky-Performance-Scale-Score über 70 ist, die Tumoren größer als 3 cm im Durchmesser und chirurgisch erreichbar sind, ist die Operation die Methode der Wahl. Postoperative adjuvante Strahlentherapie kann erneute Progression verzögern. Die mediane Überlebenszeit liegt zwischen 10 und 18 Monaten. Für Läsionen, die kleiner als 3 cm sind und chirurgisch nicht erreicht werden können, ist die Radiochirurgie die Therapie der Wahl. Multiple Metastasen können durch konventionelle Ganzhirnbestrahlung, Radiochirurgie oder Operation behandelt werden. Im allgemeinen werden nicht mehr als 3 Herde operativ oder radiochirurgisch angegangen. Die mediane Überlebenszeit liegt bei beiden Therapieformen zwischen 6 und 9 Monaten, ohne Behandlung hingegen bei nur 4–6 Wochen. Entsprechend dem klinischen und neurologischen Zustand der Patienten können Rezidive von Hirnmetastasen durch chirurgische Entfernung, erneute Bestrahlung oder durch Radiochirurgie therapiert werden. Die Wirkung der Chemotherapie hängt von der Chemosensitivität des Primärtumors und der Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke für das Chemotherapeutikum ab. Langzeitüberleber motivieren zu aktiven Behandlungsstrategien. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Objectifs : (1) Évaluer l’effet de l’anesthésie intrathécale de la gaine carpienne sur la désensibilisation du membre distal et identifier les emplacements potentiels de désensibilisation des nerfs palmaires. (2) Investiguer l’utilisation de l’arthroscope aiguille pour la ténoscopie diagnostique de la gaine carpienne chez le cheval debout. Design : Études expérimentales ex vivo et in vivo. Animaux : Membres cadavériques (n=20+6) et chevaux (n=8+6). Matériel et méthodes : (1) Le seuil de sensibilité cutané a été mesuré sur le membre distal de 8 chevaux entre t0 et t180mn après anesthésie (mépivacaïne) intrathécale. Puis, 20 membres thoraciques ont été préparés et disséqués transversalement ou longitudinalement. (2) Les ténoscopies de la gaine carpienne avec arthroscopes aiguille et standard ont été comparées sur 6 cadavres avant de réaliser la ténoscopie avec un arthroscope aiguille chez 6 chevaux sous sédation. Résultats : (1) 6/8 chevaux ont été désensibilisés au niveau des glomes. Les nerfs palmaires sont en relation étroite avec la gaine à 2 sites de diffusion probables identifiés. (2) L’arthroscope aiguille a permis une exploration complète des structures proximales dans les modèles cadavérique et in vivo (6/6), la tension résiduelle des tendons fléchisseurs a toutefois limité la visualisation du fléchisseur superficiel du doigt chez 4/6 des chevaux in vivo. Conclusion : (1) L’anesthésie intrathécale de la gaine carpienne devrait être interprétée dans les 15min post-injection, et les autres anesthésies distales au carpe être repoussées plus de 3h après. (2) La ténoscopie debout a permis une évaluation complète et sécuritaire de la région proximale de la gaine, offrant ainsi une technique diagnostique alternative. / Objective: (1) To assess the effect of carpal sheath anaesthesia on skin sensitivity of the distal forelimb and to determine potential locations for desensitisation of palmar nerves. (2) To investigate the use of a needle arthroscope for diagnostic tenoscopy of the carpal sheath in standing horses. Study design: Experimental ex vivo and in vivo studies. Animals: Cadaveric limbs (n=20+6) and live horses (n=8+6). Methods: (1) Mechanical nociception of the distal forelimb was measured with a dynamometer on 8 horses between t0 and t180mn after intrathecal anesthesia (mepivacaine). Twenty cadaveric limbs were prepared and dissected transversally or longitudinally. (2) Needle and regular arthroscopes were compared during carpal sheath tenoscopy of 6 cadaveric limbs. Then, standing carpal sheath tenoscopy was performed in 6 sedated healthy horses with the needle arthroscope. Results: (1) Six out of 8 horses were completely desensitized on both heel bulbs. Cadaveric specimens revealed close proximity between the sheath and palmar nerves at 2 possible diffusion sites identified. (2) Needle arthroscopy allowed thorough visualization of the proximal region of the carpal sheath in cadaveric limbs and standing horses (6/6). However, remaining flexor tendons tension limited visualization of the superficial digital flexor tendon in 4/6 of horses. Conclusion: (1) Carpal sheath anaesthesia should be interpreted within 15min post-injection and perineural or articular blocks distal to the carpus should be delayed for more than 3 hours post-carpal sheath anesthesia. (2) Standing carpal sheath tenoscopy allows a safe and thorough evaluation of the proximal region of the sheath, offering an alternative diagnostic technique.

Erhöhte Inzidenzen eines Schilddrüsenkarzinoms bei Hashimoto-Thyreoiditis (HT) wurden 1955 erstmals publiziert. Ähnliche Arbeiten liegen für Morbus Basedow (MB) vor. Die Beobachtungen sind weiter Gegenstand kontroverser Diskussionen. Die Ätiopathogenese ist ungeklärt. Aus einem Zeitraum von sieben Jahren wurden 112 Patienten mit MB und 77 Patienten mit HT als histologische Diagnose identifiziert und retrospektiv untersucht. Die Karzinominzidenz bei HT (16,9%) und MB (7,1%) ist gegenüber einer normalen Struma multinodosa deutlich erhöht. Multifokale Befunde fanden sich bei HT häufiger (38,5% vs 0%; p<0,05). Patienten mit MB wurden häufiger primär total thyreoidektomiert als Patienten mit HT (72,3% vs 42,9%; p<0,05). Dementsprechend waren bei Patienten mit HT mehr zweizeitige Verfahren notwendig als bei MB (11,7% vs 3,6%; p<0,05). Präoperativ wurde kein Karzinom definitiv gesichert. Eine präoperative richtig-positive Diagnose der Autoimmunerkrankung lag bei MB häufiger vor als bei HT (97,3% vs 68,6%; p<0,05). Eine Optimierung der Diagnostik, z.B. durch gezielten Einsatz der Feinnadelpunktion bei suspekten Knotenbefunden ist zu diskutieren. Weiterführende Untersuchungen zu Tumormarkern, u.a. im Gewebe, werden in Zukunft vermehrt im Fokus stehen.

During laparoscopic liver resection, the limited access to the organ, the small field of view and lack of palpation can obstruct a surgeon’s workflow. Automatic navigation systems could use the images from preoperative volumetric organ scans to help the surgeons find their target (tumors) and risk-structures (vessels) more efficiently. This requires the preoperative data to be fused (or registered) with the intraoperative scene in order to display information at the correct intraoperative position. One key challenge in this setting is the automatic estimation of the organ’s current intra-operative deformation, which is required in order to predict the position of internal structures. Parameterizing the many patient-specific unknowns (tissue properties, boundary conditions, interactions with other tissues, direction of gravity) is very difficult. Instead, this work explores how to employ deep neural networks to solve the registration problem in a data-driven manner. To this end, convolutional neural networks are trained on synthetic data to estimate an organ’s intraoperative displacement field and thus its current deformation. To drive this estimation, visible surface cues from the intraoperative camera view must be supplied to the networks. Since reliable surface features are very difficult to find, the networks are adapted to also find correspondences between the pre- and intraoperative liver geometry automatically. This combines the search for correspondences with the biomechanical behavior estimation and allows the networks to tackle the full non-rigid registration problem in one single step. The result is a model which can quickly predict the volume deformation of a liver, given only sparse surface information. The model combines the advantages of a physically accurate biomechanical simulation with the speed and powerful feature extraction capabilities of deep neural networks. To test the method intraoperatively, a registration pipeline is developed which constructs a map of the liver and its surroundings from the laparoscopic video and then uses the neural networks to fuse the preoperative volume data into this map. The deformed organ volume can then be rendered as an overlay directly onto the laparoscopic video stream. The focus of this pipeline is to be applicable to real surgery, where everything should be quick and non-intrusive. To meet these requirements, a SLAM system is used to localize the laparoscopic camera (avoiding setup of an external tracking system), various neural networks are used to quickly interpret the scene and semi-automatic tools let the surgeons guide the system. Beyond the concrete advantages of the data-driven approach for intraoperative registration, this work also demonstrates general benefits of training a registration system preoperatively on synthetic data. The method lets the engineer decide which values need to be known explicitly and which should be estimated implicitly by the networks, which opens the door to many new possibilities.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.1.1 Navigated Liver Surgery 1.1.2 Laparoscopic Liver Registration 1.2 Challenges in Laparoscopic Liver Registration 1.2.1 Preoperative Model 1.2.2 Intraoperative Data 1.2.3 Fusion/Registration 1.2.4 Data 1.3 Scope and Goals of this Work 1.3.1 Data-Driven, Biomechanical Model 1.3.2 Data-Driven Non-Rigid Registration 1.3.3 Building a Working Prototype 2 State of the Art 2.1 Rigid Registration 2.2 Non-Rigid Liver Registration 2.3 Neural Networks for Simulation and Registration 3 Theoretical Background 3.1 Liver 3.2 Laparoscopic Liver Resection 3.2.1 Staging Procedure 3.3 Biomechanical Simulation 3.3.1 Physical Balance Principles 3.3.2 Material Models 3.3.3 Numerical Solver: The Finite Element Method (FEM) 3.3.4 The Lagrangian Specification 3.4 Variables and Data in Liver Registration 3.4.1 Observable 3.4.2 Unknowns 4 Generating Simulations of Deforming Organs 4.1 Organ Volume 4.2 Forces and Boundary Conditions 4.2.1 Surface Forces 4.2.2 Zero-Displacement Boundary Conditions 4.2.3 Surrounding Tissues and Ligaments 4.2.4 Gravity 4.2.5 Pressure 4.3 Simulation 4.3.1 Static Simulation 4.3.2 Dynamic Simulation 4.4 Surface Extraction 4.4.1 Partial Surface Extraction 4.4.2 Surface Noise 4.4.3 Partial Surface Displacement 4.5 Voxelization 4.5.1 Voxelizing the Liver Geometry 4.5.2 Voxelizing the Displacement Field 4.5.3 Voxelizing Boundary Conditions 4.6 Pruning Dataset - Removing Unwanted Results 4.7 Data Augmentation 5 Deep Neural Networks for Biomechanical Simulation 5.1 Training Data 5.2 Network Architecture 5.3 Loss Functions and Training 6 Deep Neural Networks for Non-Rigid Registration 6.1 Training Data 6.2 Architecture 6.3 Loss 6.4 Training 6.5 Mesh Deformation 6.6 Example Application 7 Intraoperative Prototype 7.1 Image Acquisition 7.2 Stereo Calibration 7.3 Image Rectification, Disparity- and Depth- estimation 7.4 Liver Segmentation 7.4.1 Synthetic Image Generation 7.4.2 Automatic Segmentation 7.4.3 Manual Segmentation Modifier 7.5 SLAM 7.6 Dense Reconstruction 7.7 Rigid Registration 7.8 Non-Rigid Registration 7.9 Rendering 7.10 Robotic Operating System 8 Evaluation 8.1 Evaluation Datasets 8.1.1 In-Silico 8.1.2 Phantom Torso and Liver 8.1.3 In-Vivo, Human, Breathing Motion 8.1.4 In-Vivo, Human, Laparoscopy 8.2 Metrics 8.2.1 Mean Displacement Error 8.2.2 Target Registration Error (TRE) 8.2.3 Champfer Distance 8.2.4 Volumetric Change 8.3 Evaluation of the Synthetic Training Data 8.4 Data-Driven Biomechanical Model (DDBM) 8.4.1 Amount of Intraoperative Surface 8.4.2 Dynamic Simulation 8.5 Volume to Surface Registration Network (V2S-Net) 8.5.1 Amount of Intraoperative Surface 8.5.2 Dependency on Initial Rigid Alignment 8.5.3 Registration Accuracy in Comparison to Surface Noise 8.5.4 Registration Accuracy in Comparison to Material Stiffness 8.5.5 Champfer-Distance vs. Mean Displacement Error 8.5.6 In-vivo, Human Breathing Motion 8.6 Full Intraoperative Pipeline 8.6.1 Intraoperative Reconstruction: SLAM and Intraoperative Map 8.6.2 Full Pipeline on Laparoscopic Human Data 8.7 Timing 9 Discussion 9.1 Intraoperative Model 9.2 Physical Accuracy 9.3 Limitations in Training Data 9.4 Limitations Caused by Difference in Pre- and Intraoperative Modalities 9.5 Ambiguity 9.6 Intraoperative Prototype 10 Conclusion 11 List of Publications List of Figures Bibliography

La luxation du coude, seconde luxation en termes de fréquence (luxations à la main exclues), est souvent compliquée d’une fracture de la tête radiale, parfois comminutive et inaccessible à une ostéosynthèse. Dans le contexte de lésions ligamentaires importantes associées, la simple résection de la tête radiale se solde habituellement par une instabilité articulaire grave. Le recours à l’hémi-arthroplastie est dans ces circonstances actuellement systématique.Plusieurs types de prothèses sont disponibles mais aucune d’entre elles ne reproduit exactement l’anatomie. Les prothèses en silicone étant abandonnées, l’engouement actuel est en faveur de prothèses métalliques qui, par leur rigidité, permettent un meilleur transfert des contraintes axiales tout en restaurant la stabilité en valgus. Trois types de prothèses sont disponibles, les prothèses monobloc (un seul composant articulé avec le capitulum), les prothèses modulaires (deux composants, cupule et tige de tailles variables pour s’adapter au mieux à l’anatomie du patient), et les prothèses bi-articulées offrant également une certaine modularité et comportant une articulation entre tige et cupule permettant une meilleure adaptabilité de cette dernière au capitulum et à l’incisure radiale de l’ulna dans les différents mouvements du coude et de l’avant-bras. Appartenant à cette dernière catégorie, la prothèse de Judet présente la particularité de posséder un col angulé de 15° pour s’adapter au mieux à l’anatomie variable des patients. Les résultats à court et moyen terme de ces implants sont généralement bons mais les résultats à long terme sont encore peu documentés.Dans une hémi-arthroplastie, une bonne adaptabilité de la prothèse implique une meilleure congruence articulaire et donc un transfert des forces sur une surface plus grande, avec moins de contraintes. L’arthroplastie la plus congruente est donc celle qui, potentiellement, induit le moins d’usure du capitulum. Les prothèses monopolaires sont décrites comme plus stable mais moins congruentes que les prothèses bipolaires.Les buts de la présente étude sont d’une part d’évaluer les modifications des surfaces de contact radio-capitulaire en fonction de différentes positions de flexion du coude et de rotation de l’avant-bras sur coude intact et de les comparer à celles obtenues avec trois différents types de prothèses de tête radiale (prothèse monopolaire, prothèse bipolaire simple et prothèse bipolaire de Judet). D’autre part, le travail évalue la stabilité du coude au cours de différents mouvements de flexion du coude et de rotation de l’avant-bras avant et après ces trois différents modes d’arthroplastie de la tête radiale.Les hypothèses de départ sont que les surfaces de contact diminuent après toute arthroplastie de tête radiale, la prothèse de Judet offrant de meilleures surfaces de contact pour une stabilité moindre, la prothèse monopolaire offrant une plus grande stabilité latérale pour des surfaces de contact moindres et la prothèse bipolaire droite conférant une stabilité et des surfaces articulaires de contact intermédiaires.Pour tester ces hypothèses, 12 membres supérieurs de cadavres frais ont été utilisés. Les surfaces de contact radio-capitulaire ont été évaluées par la réalisation de moulage de l’articulation avant et après arthroplastie de la tête radiale et la stabilité du coude a été évaluée par le biais d’une analyse du mouvement rendue possible par l’utilisation d’un système optoélectronique. Cinq variables ont ainsi pu être évaluées dans les états intact, après capsulectomie antérieure (nécessaire à la réalisation des moulages), après résection de la tête radiale et après la pose de chacune des trois prothèses de tête radiale.Il a été observé que les surfaces de contact radio-capitulaire chutaient après les arthroplasties de tête radiale sans pour autant qu’il n’y ait de distinction entre ces dernières. La position de supination offrait de meilleures surfaces de contact articulaires notamment par le biais d’un contact radio-conoïdien complémentaire au contact radio-capitulaire. Les prothèses bi-articulées présentaient une subluxation latérale de leur tête radiale en position neutre et cela s’accompagnait d’une diminution des surfaces articulaires de contact. L’analyse cinématique a permis de mettre en évidence que la réalisation d’une capsulectomie antérieure augmentait la laxité du coude en varus tout comme les arthroplasties de tête radiale et que la laxité du coude en valgus était augmentée après résection de la tête radiale.La laxité rotatoire du coude, dépendante de la rotation de l’avant-bras, était également augmentée par la capsulectomie antérieure et cet effet était majoré après les prothèses bi-articulées.Les stabilités latérale et rotatoire du coude en regard de la prothèse monopolaire se rapprochaient de celles observées en regard de la tête radiale native tandis que la stabilité du coude en regard des prothèses bi-articulées était un intermédiaire entre la stabilité observée dans la situation native et celle observée en l’absence de tête radiale.Les résultats de la présente étude plaident en faveur de l’utilisation de prothèses monopolaires qui semblent offrir une meilleure stabilité du coude ainsi qu’un meilleur contact articulaire en position neutre. Les mécanismes qui sous-tendent l’instabilité des prothèses bi-articulées ne sont pas clairs et l’exploitation d’autres paramètres issus de l’analyse cinématique pourrait permettre de mieux définir ces phénomènes d’instabilité. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished