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

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Savoir différiencier les différentes types de tissus représente un aspect important lors d’interventions médicales, que ce soit pour aider au diagnostic d’une maladie ou pour le guidage chirurgical. Il est généralement très difficile de distinguer les tissus sains des tissus pathologiques à l’oeil nu et la navigation chirurgicale peut parfois être difficile dans les grands organes où la structure ciblé se trouve enfouie profondément. De nouvelles méthodes susceptibles d’accroître la réussite de telles interventions médicales suscitent actuellement de l’intérêt chez les professionnels de la santé. La spectroscopie optique, en analysant les interactions lumière-tissu dans une plage spectrale définie, est un outil permettant de différencier les tissus avec une résolution et une sensibilité bien supérieures à celles de l’oeil humain. Tout au long de cette thèse, je détaillerai comment la spectroscopie optique a été utilisée pour créer et améliorer un système de guidage optique utilisé pour la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie, en particulier pour le traitement de la maladie de Parkinson. Pour commencer, je montrerai comment les informations spectroscopiques peuvent fournir une rétroaction peropératoire en temps réel à un neurochirurgien, au cours de la phase d’implantation de la procédure, avec une sonde qui n’induit aucune invasion supplémentaire. Je présenterai l’investigation de deux modalités spectroscopiques différentes pour la discrimination tissulaire pour le guidage, soit la spectroscopie à réflectance diffuse et la spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente. Les avantages et les inconvénients des deux techniques, ainsi que leurs aptitude à la traduction prometteuse pour cette application seront abordés. Par la suite, je présenterai une nouvelle technique d’analyse de données pour extraire l’oxygénation des tissus à partir de spectres de réflectance diffus dans le but d’améliorer la précision de mesure en spectroscopie rétinienne et ultimement de porter un diagnostique. Bien que conçu pour la rétine, l’algorithme peut également être utilisé pour analyser les spectres acquis lors d’une neurochirurgie afin de fournir des informations à la fois discriminantes et diagnostiques. Finalement, je montrerai des preuves de diffusion anisotrope de la lumière dans les axones myélinisés de la moelle épinière et discuterai des conséquences que cela pourrait avoir sur les simulations actuelles de la propagation des photons dans le cerveau, qui feront partie intégrante d’un guidage optique efficace. / Differentiating tissue types is an important aspect of guiding medical interventions whether it be for disease diagnosis or for surgical guidance. However, diseased and healthy tissues are often hard to discriminate by human vision alone and surgical navigation can be difficult to accomplish in large organs where the target structure lies deep within the body. New methods that can increase certainty in such medical interventions are therefore of great interest to healthcare professionals. Optical spectroscopy is a tool which can be exploited to probe discriminatory information in tissue by analyzing light-tissue interactions with a spectral range, resolution and sensitivity much greater than the human eye. Throughout this thesis, I will explain how I have leveraged optical spectroscopy to create, and improve, an optical guidance system for deep brain stimulation neurosurgery, specifically for the treatment of Parkinson’s disease. I will begin by describing how spectroscopic information can provide real-time feedback to a surgeon during the procedure, in the hopes of ultimately improving treatment outcome. To this end, I will present the investigation of two different spectroscopic modalities for optical guidance: diffuse reflectance spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The advantages and disadvantages of both techniques will be discussed along with their promising translatability for this application. Following this, I will present a novel data analysis technique for extracting the tissue oxygenation from diffuse reflectance spectra with the aim of improved diagnostic information in retinal spectroscopy. While designed for the retina, the algorithm can also be used to analyze spectra acquired during a neurosurgery to provide both discriminatory and diagnostic information. Lastly, I will show evidence of anisotropic light scattering in the myelinated axons of the spinal cord and discuss the implications this may have on current photon propagation simulations in the brain, which will be integral for effective optical guidance.

This thesis examines in detail the nature of postoperative infectious complications in patients who underwent brain tumor surgery. It deals with the incidence of these complications and their severity, depending on various factors and suggests the most appropriate nursing procedures used in the care of a patient in whom these complications occurred. For the structure of the work is divided into two parts - theoretical and empirical. The theoretical part deals with the issues examined in terms of the medical field Neurosurgery (closer diagnoses, conditions, operations and other procedures, and complications to occur after these operations or expected performance), analyzes a nursing practice and patient care on neurosurgical ICU, and finally closely examines infections and nosocomial diseases, including a description of the most common types, their agents, diagnosis and treatment. The second, empirical part focuses on the problems from a practical point of view. With the help of set of case studies it closer which specific complications are most commonly found on the neurosurgical ICU in patients after surgery of brain tumors, what are the most common methods of treatment and nursing procedures which are most used in the care of patients with these complications. In conclusion summarizes the...

Le domaine de la chirurgie de par son environnement sensible, ses enjeux de qualité et de sécurité se rapproche naturellement d’autres univers tels que l’industrie nucléaire, l’aviation civile et le domaine militaire. La technicité voire même la connaissance déclarative de chaque individu composant un élément de l’ensemble d’individus interagissant ensemble dans ces environnements ne suffisent pas à atteindre des niveaux suffisants de sécurité. Plus de 70% des évènements indésirables graves seraient liés à des problèmes humains de coordination et de communication. Les compétences non techniques (CNT) sont ainsi nécessaires pour assurer une performance efficiente et sûre. La première partie de ce travail fait un état des lieux de la littérature sur les CNT en chirurgie. Après des définitions générales et un positionnement de ces compétences vis-à-vis notamment des compétences techniques et procédurales, nous présentons une revue systématique de la littérature des CNT dans le domaine spécifique de la neurochirurgie. La deuxième partie de ce travail s’intéresse quant à elle aux compétences interpersonnelles en focalisant le propos sur le travail en équipe et la communication. Le concept de familiarité au sein d’une équipe est exploré. Pour ce faire, nous présentons une étude observationnelle qui a été réalisée en environnement réel de bloc opératoire de neurochirurgie portant sur les interruptions de tâches et le travail d’équipe. Ces interruptions de tâches sont en effet des évènements itératifs entrainant la mobilisation de CNT au sein d’un groupe de professionnels. La troisième partie est consacrée aux compétences cognitives avec une étude reposant sur des entretiens de neurochirurgiens de différents niveaux d’expertise ; celle-ci ayant pour objectif de mieux comprendre la représentation mentale que se fait le chirurgien lors de son planning opératoire pré-chirurgical. La méthodologie qualitative de la théorisation enracinée est utilisée dans cette partie et nous justifions son emploi pour ce travail. / The field of surgery with its sensitive environment, its quality and safety issues is naturally close to other work environments such as the nuclear industry, civil aviation and the armed forces. The technical expertise and even the declarative knowledge of each individual component of the set of individuals interacting together in these environments are not sufficient to achieve sufficient safety levels. More than 70% of serious adverse events are due to human coordination and communication issues. Non-technical skills (NTS) are thus essential to ensure efficient and safe performance. The first part of this work is a review of the literature on NTS in surgery. After giving general definitions and positioning these skills with respect to technical and procedural skills, we present a systematic review of the CNT literature in thespecific field of neurosurgery. The second part of this work focuses on interpersonal skills: on teamwork and communication. The concept of crew familiarity is explored. In order to achieve this, we present an observational study carried out in a real neurosurgical operating room environment dealing with workflow disruptions and involving teamwork. These workflow disruptions are iterative events leading to the mobilization of NTS within a group of professionals. The third part is dedicated to cognitive skills with a study based on interviews of neurosurgeons with different levels of expertise. The aim is to better understand the surgeon’s mental representation during preoperative surgical planning. Grounded theory approach, a qualitative methodology, is used in this part and we justify its use for this work.

La localisation précise de la cible chirurgicale est essentielle pour réduire la morbidité au cours de l'exérèse chirurgicale d'une tumeur cérébrale. Lorsque les dimensions de la craniotomie sont importantes, une déformation des tissus mous du cerveau peut survenir au cours de l'intervention. Du fait de ce `brain-shift', les données pré-opératoires ne correspondent plus à la réalité et la neuronavigation s'en trouve fortement compromise. Afin de prendre en compte ces effets, nous proposons un système de navigation passive permettant de localiser les ancillaires par rapport à la position rectifiée des structures anatomiques. Avant l'intervention une angiographie par résonance magnétique (ARM) du cerveau du patient est acquise. Après installation au bloc opératoire, le volume ARM définissant la configuration initiale de l'arbre vasculaire cérébral est rigidement recalé par rapport à la tête du patient. Au cours de l'intervention, suite à une déformation importante du cerveau, le chirurgien effectue un balayage échographique Doppler de la région d'intérêt. L'arbre vasculaire initial est recalé élastiquement vers sa configuration déformée, segmentée dans les images US localisées, et le champ de déplacements résultant est ensuite étendu à l'ensemble du volume de l'organe par le biais d'un modèle biomécanique spécifique au patient. La déformation globale ainsi calculée permet de mettre à jour les données pré-opératoires et rectifier le planning chirurgical initial. Notre système fournit une réponse rapide, robuste et précise au chirurgien et lui offre la possibilité de valider la pertinence de la déformation calculée avant toute modification du planning.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine. Médecine générale : Paris 12 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 138-149.

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The identification of eloquent areas is of utmost importance in the surgery of tumors located near speech-eloquent brain areas, since the classical concept of a constant localization was proven to be untrue and the spatial localization of these areas may show large interindividual differences. Some neurosurgical centers apply intraoperative electrophysiological methods that, however, necessitate the performance of surgery in the awake patient. This might be a severe burden both for the patient and the operating team in a procedure that lasts several hours; in addition, electrical stimulation may generate epileptic seizures. Alternatively, methods of functional brain imaging (e.g., PET, fMRI, MEG) may be applied, which allow individual localization of speech-eloquent areas. Matching of these image data with a conventional 3D-CT or MRI now allows the exact transfer of this information into the surgical field by neuronavigation. Whereas standards concerning electrophysiological stimulation techniques that could prevent a permanent postoperative worsening of language are available, until now it remains unclear whether the resection of regions shown to be active in functional brain imaging will cause a permanent postoperative deficit. / Die Identifikation sprachaktiver Areale ist von höchster Bedeutung bei der Operation von Tumoren in der Nähe des vermuteten Sprachzentrums, da das klassische Konzept einer konstanten Lokalisation des Sprachzentrums sich als unrichtig erwiesen hat und die räumliche Ausdehnung dieser Areale eine hohe interindividuelle Varianz aufweisen kann. Einige neurochirurgische Zentren benutzen deshalb intraoperativ elektrophysiologische Methoden, die jedoch eine Operation am wachen Patienten voraussetzen. Dies kann sowohl für den Patienten als auch das Operations-Team eine schwere Belastung bei diesem mehrstündigen Eingriff darstellen, zusätzlich können epileptische Anfälle durch die elektrische Stimulation generiert werden. Alternativ können Modalitäten des «functional brain imaging» (PET, fMRT, MEG usw.) eingesetzt werden, die die individuelle Lokalisation sprachaktiver Areale gestatten. Die Bildfusion dieser Daten mit einem konventionellen 3D-CT oder MRT erlaubt den exakten Transfer dieser Daten in den OP-Situs mittels Neuronavigation. Während Standards bei elektrophysiologischen Stimulationstechniken existieren, die eine permanente postoperative Verschlechterung der Sprachfunktion weitgehend verhindern, bleibt die Relevanz sprachaktiver Areale bei den neuesten bildgebenden Techniken bezüglich einer Operations-bedingten Verschlechterung der Sprachfunktion bisher noch unklar. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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