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

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

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

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

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

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

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

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

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

SAMMANFATTNING Bakgrund: Under den intraoperativa perioden, det vill säga från att patienter anländer till operationsavdelningen tills att de överlämnas till postoperativ vård, upplever de vanligen oro och ångest. Detta kan minimeras genom att anestesisjuksköterskan tillämpar ett personcentrerat förhållningssätt. Studier inom vården visar att genom ett gott kommunikativt samspel kan personcentrering uppnås, men också attvälbefinnandet ökar både hos patienter och sjuksköterskor. Orlando (1990) har utarbetat en omvårdnadsteori, som beskriver hur sjuksköterskor kan uppnå ett gott kommunikativt samspel och därmed personcentrerad vård. Syfte: Syftet var att beskriva det kommunikativa samspelet mellan patient och anestesisjuksköterska från det initiala mötet tills patienten sövts. Metod: En icke-deltagande observationsstudie genomfördes på två olika operationsavdelningar på ett universitetssjukhus i Mellansverige. Tjugo parvisa observationstillfällen analyserades med en kvalitativ-deduktiv innehållsanalys. Ett analysprotokoll baserat på Orlando’s teori användes. Resultat: Intraoperativt präglades det kommunikativa samspelet antingen av: 1) ömsesidig interaktion, där både patient och anestesisjuksköterska uppmärksammade varandras verbala och icke-verbala signaler, eller 2) förbisedda behov, som en konsekvens av bristande kommunikativt samspel där patienternas signaler feltolkades eller inte uppfattades. En ömsesidig interaktion och därmed ett gott kommunikativt samspel uppnåddes på flera sätt. Orlando’s reflekterande omvårdnadsprocess var inte nödvändig för att skapa ett gott kommunikativt samspel. Däremot, om omvårdnadsprocessen inte följdes, blev vården och det kommunikativa samspelet inte alltid personcentrerat och det hände att patientens behov förbisågs helt. Slutsats: Anestesisjuksköterskor måste bemästra konsten att personcentrera både kommunikation och vård. Resultatet i denna studie beskriver det kommunikativa samspelet intraoperativt och kan därmed skapa medvetenhet hos anestesisjuksköterskorna om hur de kommunicerar. Examensarbetet bidrar till ökad förståelse av det kommunikativa samspelet med en mer personcentrerad, bättre och säkrare vård som följd. / ABSTRACT Background: Patients commonly experience anxiety and distress intraoperatively, which is the period from patient arrival at the theatre department till they are discharged to a postoperative unit. This can be eased, if a person-centered approach is applied by the nurse anesthetist. Studies show that good nurse-patient interactions lead to person-centered care and increases well-being for both patients and nurses. Orlando’s (1990) nursing theory, describes how to achieve good nurse-patient interaction and consequently person-centered care. Objective: The objective was to describe nurse-patient interactions, from the initial encounter until the patient was under sedation. Method: Non-participating observations were performed at two separate theatre departments at a university hospital in central Sweden. Twenty paired observations were analysed using qualitative-deductive content analysis. A protocol based on Orlando’s theory was used. Result: Intraoperative nurse-patient interaction was characterised by either: 1) mutuality, where both patient and nurse were attentive to each other’s verbal and non-verbal signals. This resulted in good nurse-patient interaction, or 2) unmet needs, a consequence of insufficient nurse-patient interactions where the patient’s signals were being misinterpreted or not perceived. This study shows that good nurse-patient interactions can be achieved in different ways. Implementing the reflective nursing process was not necessary to engender good nurse-patient interactions. Although, if not implemented, then a good nurse-patient interaction and person-centered care could not be guaranteed, even to the point where the patients’ needs were completely missed.  Conclusion: It is crucial for the nurse anesthetist to master the ability to apply person-centered care and communication intraoperatively. The result of this study describes the intraoperative nurse-patient interaction and can therefore bring enlightenment to the nurse anesthetist about how the communicate. This thesis contributes to an increased understanding regarding the nurse-patient interaction with a augmented person-centered care and therefore leading to higher quality and safety in care provided.