Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have seen rapid growth as methods for improved operational procedures. The main technology of MIS is based on image guided surgery (IGS) devices, namely surgical navigators, surgical robotics and image scanners. With their widespread use in various fields of surgery, methods and tools that may be used routinely in the hospital setting for “real world” assessment of the accuracy of these devices are lacking. In this thesis the concept of accuracy testing was developed to meet the needs of quality assurance of navigators and robots in a hospital environment. Thus, accuracy was defined as the difference between actual and measured distances from an origin, also including determination of directional accuracy within a specific volume. Two precision engineered accuracy assessment phantoms with assessment protocols were developed as advanced materials and methods for the community. The phantoms were designed to include a common region of surgical interest (ROSI) that was determined to roughly mimic the size of the human head. These tools and methods were utilized in accuracy assessment of two commercial navigators, both enabling the two most widely used tracking modalities, namely the optical tracking system (OTS) and the electromagnetic tracking system (EMTS). Also a study of the accuracy and repeatability of a prototype surgical interactive robot (SIRO) was done. Finally, the phantoms were utilized in spatial accuracy assessment of a commercial surgical 3D CT scanner, the O-Arm. The experimental results indicate that the proposed definitions, tools and methods fulfill the requirements of quality assurance of IGS devices in the hospital setting. The OTS and EMTS tracking modalities were nearly identical in overall accuracy but had unique error trends. Also, the accuracy of the prototype robot SIRO was in the range recommended in the IGS community. Finally, the image quality of the O-Arm could be analyzed using the developed phantoms. Based on the accuracy assessment results, suggestions were made when setting up each IGS device for surgical procedures and for new applications in minimally invasive surgery. / Tiivistelmä Mini-invasiivisen eli täsmäkirurgian tekniikoita ja teknologioita on alettu hyödyntää viime aikoina yhä enemmän. Tavoitteena on ollut parantaa kirurgisten operaatioiden tarkkuutta ja turvallisuutta. Täsmäkirurgiassa käytetyt teknologiat pohjautuvat kuvaohjattuihin kirurgisiin paikannuslaitteisiin. Kuvaohjattuihin laitteisiin kuuluvat navigaattorit, kirurgiset robotit ja kuvantalaitteet. Näiden laitteistojen kehittyminen on mahdollistanut tekniikoiden hyödyntämisen monialaisessa kirurgiassa. Paikannuslaitteistojen ja robottien yleistyminen on kuitenkin nostanut sairaaloissa esiin yleisen ongelman paikannustarkkuuden määrittämisessä käytännön olosuhteissa. Tässä väitöskirjassa esitetään kirurgisten yksiköiden käyttöön menetelmä sekä kaksi uutta fantomia ja protokollaa käytössä olevien paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen. Fantomit suunniteltiin sisältämään ennalta määritetty kirurginen kohdealue, mikä rajattiin käsittämään ihmisen kallon tilavuus. Fantomeita ja protokollaa hyödynnettiin kahden kaupallisen paikannuslaitteen tarkkuuden määrityksessä. Navigaattorit käyttivät optiseen ja elektromagneettiseen paikannukseen perustuvaa tekniikkaa. Lisäksi työssä kehitetyillä menetelmillä tutkittiin prototyyppivaiheessa olevan kirurgisen robotin paikannus- ja toistotarkkuutta sekä tietokonetomografialaitteen O-kaaren kuvan tarkkuuden määritystä. Kokeellisten tulosten perusteella työssä kehitetyt fantomit ja protokollat ovat luotettavia ja tarkkoja menetelmiä kirurgisten paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen sairaalaoloissa. Kirurgisten navigaattoreiden tarkkuuden määritystulokset osoittivat optisen ja elektromagneettisen paikannustekniikan olevan lähes yhtä tarkkoja. Prototyyppirobotin tarkkuus oli tulosten perusteella kirjallisuudessa esitettyjen suosituksien mukainen. Lisäksi O-kaaren kuvanlaatua voitiin tutkia kehitetyillä fantomeilla. Tarkkuudenmääritystulosten perusteella työssä ehdotetaan menetelmiä laitteistojen optimaalisesta käytöstä leikkaussalissa sekä laajennetaan niiden käyttömahdollisuuksia. Tuloksia voidaan hyödyntää myös paikannuslaitteistojen kehittämistyössä.

Abstract Resting-state (RS) measurements during functional magnetic resonance imaging (fMRI) have become an established approach for studying spontaneous brain activity. RS-fMRI results are often obtained using explorative approaches like spatial independent component analysis (sICA). These approaches and their software implementations are rarely evaluated extensively or specifically concerning RS-fMRI. Trust is placed in the software that they will work according to the published method descriptions. Many methods and parameters are used despite the lack of test data, and the validity of the underlying models remains an open question. A substantially greater number of evaluations would be needed to ensure the quality of exploratory RS-fMRI analyses. This thesis investigates the applicability of sICA methodology and software in the RS-fMRI context. The experiences were used to formulate general guidelines to facilitate future method evaluations. Additionally, a novel multiple comparison correction (MCC) method, Maxmad, was devised for adjusting evaluation results statistically. With regard to software considerations, the source code of FSL Melodic, popular sICA software, was analyzed against its published method descriptions. Unreported and unevaluated details were found, which implies that one should not automatically assume a correspondence between the literature and the software implementations. The method implementations should rather be subjected to independent reviews. An experimental contribution of this thesis is that the credibility of the emerging sliding window sICAs has been improved by the validation of sICA related preprocessing procedures. In addition to that, the estimation accuracy regarding the results in existing RS-fMRI sICA literature was also shown not to suffer even though repeatability tools like Icasso have not been used in their computation. Furthermore, the evidence against conventional sICA model suggests the consideration of different approaches to analysis of RS-fMRI. The guidelines developed for facilitation of evaluations include adoption of 1) open software development (improved error detection), 2) modular software designs (easier evaluations), 3) data specific evaluations (increased validity), and 4) extensive coverage of parameter space (improved credibility). The proposed Maxmad MCC addresses a statistical problem arising from broad evaluations. Large scale cooperation efforts are proposed concerning evaluations in order to improve the credibility of exploratory RS-fMRI methods. / Tiivistelmä Aivoista toiminnallisella magneettikuvantamisella (engl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) lepotilassa tehdyt mittaukset ovat saaneet vakiintuneen aseman spontaanin aivotoiminnan tutkimuksessa. Lepotilan fMRI:n tulokset saadaan usein käyttämällä exploratiivisia menetelmiä, kuten spatiaalista itsenäisten komponenttien analyysia (engl. spatial independent component analysis, sICA). Näitä menetelmiä ja niiden ohjelmistototeutuksia evaluoidaan harvoin kattavasti tai erityisesti lepotilan fMRI:n kannalta. Ohjelmistojen luotetaan toimivan menetelmäkuvausten mukaisesti. Monia menetelmiä ja parametreja käytetään testidatan puuttumisesta huolimatta, ja myös menetelmien taustalla olevien mallien pätevyys on edelleen epäselvä asia. Eksploratiivisten lepotilan fMRI-datan analyysien laadun varmistamiseksi tarvittaisiin huomattavasti nykyistä suurempi määrä evaluaatioita. Tämä väitöskirja tutki sICA-menetelmien ja -ohjelmistojen soveltuvuutta lepotilan fMRI-tutkimuksiin. Kokemuksien perusteella luotiin yleisiä ohjenuoria helpottamaan tulevaisuuden menetelmäevaluaatioita. Lisäksi väitöskirjassa kehitettiin uusi monivertailukorjausmenetelmä, Maxmad, evaluaatiotulosten tilastolliseen korjaukseen. Tunnetun sICA-ohjelmiston, FSL Melodicin, lähdekoodi analysoitiin suhteessa julkaistuihin menetelmäkuvauksiin. Analyysissa ilmeni aiemmin raportoimattomia ja evaluoimattomia menetelmäyksityiskohtia, mikä tarkoittaa, ettei kirjallisuudessa olevien menetelmäkuvausten ja niiden ohjelmistototeutusten välille pitäisi automaattisesti olettaa vastaavuutta. Menetelmätoteutukset pitäisi katselmoida riippumattomasti. Väitöskirjan kokeellisena panoksena parannettiin liukuvassa ikkunassa suoritettavan sICA:n uskottavuutta varmistamalla sICA:n esikäsittelyjen oikeellisuus. Lisäksi väitöskirjassa näytettiin, että aiempien sICA-tulosten tarkkuus ei ole kärsinyt, vaikka niiden estimoinnissa ei ole käytetty toistettavuustyökaluja, kuten Icasso-ohjelmistoa. Väitöskirjan tulokset kyseenalaistavat myös perinteisen sICA-mallin, minkä vuoksi tulisi harkita siitä poikkeavia lähtökohtia lepotilan fMRI-datan analyysiin. Evaluaatioiden helpottamiseksi kehitetyt ohjeet sisältävät seuraavat periaatteet: 1) avoin ohjelmistokehitys (parantunut virheiden havaitseminen), 2) modulaarinen ohjelmistosuunnittelu (nykyistä helpommin toteutettavat evaluaatiot), 3) datatyyppikohtaiset evaluaatiot (parantunut validiteetti) ja 4) parametriavaruuden laaja kattavuus evaluaatioissa (parantunut uskottavuus). Ehdotettu Maxmad-monivertailukorjaus tarjoaa ratkaisuvaihtoehdon laajojen evaluaatioiden tilastollisiin haasteisiin. Jotta lepotilan fMRI:ssä käytettävien exploratiivisten menetelmien uskottavuus paranisi, väitöskirjassa ehdotetaan laaja-alaista yhteistyötä menetelmien evaluoimiseksi.