abstract: Motion estimation is a core task in computer vision and many applications utilize optical flow methods as fundamental tools to analyze motion in images and videos. Optical flow is the apparent motion of objects in image sequences that results from relative motion between the objects and the imaging perspective. Today, optical flow fields are utilized to solve problems in various areas such as object detection and tracking, interpolation, visual odometry, etc. In this dissertation, three problems from different areas of computer vision and the solutions that make use of modified optical flow methods are explained. The contributions of this dissertation are approaches and frameworks that introduce i) a new optical flow-based interpolation method to achieve minimally divergent velocimetry data, ii) a framework that improves the accuracy of change detection algorithms in synthetic aperture radar (SAR) images, and iii) a set of new methods to integrate Proton Magnetic Resonance Spectroscopy (1HMRSI) data into threedimensional (3D) neuronavigation systems for tumor biopsies. In the first application an optical flow-based approach for the interpolation of minimally divergent velocimetry data is proposed. The velocimetry data of incompressible fluids contain signals that describe the flow velocity. The approach uses the additional flow velocity information to guide the interpolation process towards reduced divergence in the interpolated data. In the second application a framework that mainly consists of optical flow methods and other image processing and computer vision techniques to improve object extraction from synthetic aperture radar images is proposed. The proposed framework is used for distinguishing between actual motion and detected motion due to misregistration in SAR image sets and it can lead to more accurate and meaningful change detection and improve object extraction from a SAR datasets. In the third application a set of new methods that aim to improve upon the current state-of-the-art in neuronavigation through the use of detailed three-dimensional (3D) 1H-MRSI data are proposed. The result is a progressive form of online MRSI-guided neuronavigation that is demonstrated through phantom validation and clinical application. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

Durante um procedimento cirúrgico cerebral existe o deslocamento das estruturas que é um problema tipicamente não-rígido e não-linear. A ultrassonografia intra-operatória é utilizada como guia cirúrgico e pode ser utilizada para correção das imagens pré- operatórias através do corregistro rígido entre estas e um sistema de rastreio. Isto torna possível a visualização do deslocamento das estruturas devida a remoção de parte delas durante o ato cirúrgico. O objetivo deste trabalho é um estudo do corregistro livre não-rígido a partir de um modelo in vitro experimental que simule uma situação cirúrgica de retirada de uma inclusão líquida, de forma controlada, para medir os deslocamentos das estruturas próximas, utilizando imagens de ultrassom. Alguns fantomas que simulam o tecido humano nas imagens de ultrassom, feitos de gelatina e parafina, foram escolhidos como modelo. Para realizar o corregistro foi escolhida a transformação geométrica por splines simples (B-Splines), o otimizador Limited- memory BroydenFletcherGoldfarbShanno (LBFGS) e a métrica de similaridade soma do quadrado das diferenças (SQD) e, utilizada a biblioteca Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK), assim como o estudo dos parâmetros adequados para a nossa tarefa. Foi demonstrado para as condições envolvidas que para as imagens em modo B as deformações até 5% e mapas de RF até 9%, sem nenhuma otimização dos parâmetros do corregistro, é factível sem uso excessivo de tempo computacional. Foi analisada a influência da grade em relação a dois tipos diferentes de deformação, ambas com valor de 2%. O tamanho da grade, levando em consideração o erro e o tempo, foram a 5x11 para as imagens em Modo B e 11x17 para os mapas de RF, independentemente do tipo de deformação. Os parâmetros do otimizador (Default Step Length, Gradient Convergence Tolerance e Line Search Accuraccy) também foram avaliados e os valores obtidos foram 1,6; 0,03 e 0,8 para as imagens modo B e 1,2; 0,05 e 1,0 para os mapas de RF. No entanto ao comparamos, utilizando os parâmetros propostos obtidos, os campos de deslocamentos esperados com os gerados pelo modo B e pelos mapas RF, foi demonstrado que os mapas de RF fornecem valores abaixo do esperado e que as imagens em modo B retratam mais fielmente os deslocamentos e isto se deve a escolha do conjunto de valores testados para o otimizador. Foram aplicados estes parâmetros em dois fantomas de parafina- gel e em dois de gelatina. Nos três primeiros fantomas foi retirada um inclusão líquida em várias etapas. Os deslocamentos das estruturas vizinhas foram avaliados durante as etapas de remoção para demonstrar os campos de sução e de torção. No último fantoma, que simula morfologicamente um cérebro humano, foram retiradas, em várias etapas, regiões sólidas, simulando a retirada de tecido e foram calculados os deslocamentos e demonstrados os campos provenientes deste tipo de intervenção. Os trabalhos futuros se concentrarão em utilizar os volumes para medir os movimentos das estruturas e em novos parâmetros do otimizador para os mapas de RF. / During a brain surgery there is the displacement of the structures that is a typical non- rigid and non-linear problem. Intraoperative ultrasound is used as a surgical guide and can be used for spatial correction of preoperative images through the rigid registration between these and a track system. This makes it possible to visualize the displacement of structures due to removal of some piece of them during surgery. This work is a study of the non-rigid free-from registration using an experimental in vitro model to simulate a surgical situation withdrawal of a fluid inclusion in a controlled manner, to measure the displacement of nearby structures, using ultrasound images. Some phantoms that simulate the human tissue in the ultrasound images made of gelatin and paraffin were chosen as a model. To perform the registration it was used the framework Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) and were chosen a geometric transformation of simple splines (B-splines), the Limited-memory Broyden-Fletcher- Goldfarb-Shanno (LBFGS) optimizer and the similarity metric sum of the squared differences (SQD). The search for the suitable parameters for our task are done and it has been shown that for the conditions involved for B-mode images deformations up to 5% and RF maps up to 9% without any optimization of the parameters of registration, is feasible without excessive use of computational time. The influence of the grid was examined for two different types of deformation, both for 2%. The size of the grid, taking into account the error and time were the 5x11 for the images in B mode and 11x17 maps for RF, regardless of the type of deformation. The parameters of the optimizer (Default Step Length, Gradient Convergence Tolerance and Line Search Accuraccy) were also evaluated and the values obtained were 1.6, 0.03 and 0.8 for the B-mode images and 1.2, 0.05 and 1.0 for RF maps. However when comparing the expected displacement fields with the generated by B-mode images and the RF maps, using the obtained parameters, it have been shown that RF maps provide values are lower than expected and that the B-mode images portray more faithfully displacements. This is due to the choice set of values tested for the optimizer. Finally, image registration parameters for B-mode were applied in two paraffin-gel and two gelatin phantoms. In the first three phantoms the fluid inclusion was removed in several stages and the displacements of neighboring structures were evaluated during the removal steps to demonstrate the fields of suction and torsion. The last phantom, which morphologically mimics a human brain, a solid region was removed, also in several stages, simulating a surgery. The displacements were calculated and demonstrated the fields from this type of intervention. Future work will focus on using the volumes to measure the movements of the structures and new parameters test of the optimizer to RF maps.

Objectives: The aim of the retrospective study was to describe the brain biopsy procedure using a new frameless optical neuronavigation system and to report diagnostic yield and complications associated with the procedure. Materials and Methods: The medical records for all dogs with forebrain lesions that underwent brain biopsy with a frameless optical neuronavigation system in a single referral hospital between 2013 and 2020 were retrospectively analysed. Following data were collected: signalment, neurological signs, diagnostic findings, number of brain biopsy samples, sampled region, complications, duration of hospitalisation, whether the samples were diagnostic and histopathological diagnoses. The device consists of a computer workstation with navigation software, an infrared camera, patient tracker and reflective instruments. The biopsy needle was equipped with reflective spheres, so the surgeon could see the position of the needle during sampling the intracranial lesion free handed through a mini-burr hole. Results: Ten dogs were included. Absolute diagnostic yield based on specific histopathological diagnosis was 73.9%. Three dogs had immune-mediated necrotizing encephalitis, two dogs showed a necrotizing leukoencephalitis and two dogs a meningoencephalitis of unknown origin. In two dogs, the brain specimen showed unspecific changes. In one dog, the samples were non-diagnostic. Seven dogs showed no neurological deterioration, one dog mild temporary ataxia and two dogs died within 36 hours post brain biopsy. Clinical Significance: In these 10 dogs, the frameless optical neuronavigation system employed was useful to gain diagnostic brain biopsy samples. Considering the mortality rate observed, further studies are needed to confirm the safety of this procedure and prove its actual clinical effectiveness.

INTRODUÇÃO: O tronco encefálico é uma pequena estrutura com elevada concentração de núcleos e tratos. Historicamente, houve grande debate sobre indicações cirúrgicas às lesões no tronco encefálico. A despeito do desenvolvimento da microcirurgia, cirurgia da base do crânio e da neuronavegação, poucos grupos têm experiência no manejo daquelas lesões. Quando lesões no tronco encefálico não afloram à superfície pial, torna-se crucial o conhecimento de áreas de segurança de acesso ao tronco, as quais representam estreitos corredores em que há paucidade de estruturas eloquentes e ausência de vasos perfurantes. OBJETIVO: Quantificar a área de trabalho gerada pelos acessos cirúrgicos mais comumente utilizados ao tronco encefálico, além de definir as exposições angulares geradas pelos mesmos acessos às áreas de segurança por meio de dissecções cadavéricas. Adicionalmente, detalhamos a anatomia cirúrgica de treze acessos ao tronco encefálico, com fotografias passo a passo e descrições detalhadas para auxiliar na melhor difusão destas técnicas. MÉTODOS: Foi realizada dissecção anatômica de 10 cadáveres humanos para demonstração de 13 acessos cirúrgicos ao tronco encefálico e da anatomia das seguintes zonas de segurança: mesencefálica anterior, sulco mesencefálico lateral, intercolicular, peritrigeminal, supra-trigeminal, pontina lateral, supra-colicular, infra-colicular, sulco mediano do quarto ventrículo, sulco posteromediano e olivar. Os acessos estudados foram: orbitozigomático, subtemporal, subtemporal transtentorial, subtemporal transtentorial com petrosectomia anterior, suboccipital telovelar, supracerebelar infratentorial mediano, paramediano e lateral, retrossigmoideo, extremo lateral, petrosectomia anterior, retrolabiríntico, e combinado. A dissecção foi realizada entre Janeiro a Julho de 2010, no Laboratório de Base de Crânio do Barrow Neurological Institute, localizado em Phoenix, Arizona, EUA. Os espécimes fixados em formalina e com artérias e veias perfundidas com silicone colorido foram dissecados em suporte de Mayfield em mesa cirúrgica, com todo instrumental cirúrgico simulando um ambiente operatório. Após cada acesso, neuronavegador era utilizado para coletar coordenadas tridimensionais de pontos pré-definidos nas craniotomias e no campo operatório, os quais após análise em software específico, se traduziam em valores das seguintes variáveis: área de exposição, exposição angular e extensão de exposição. Os resultados obtidos foram comparados quando havia interseção de área ou zona de segurança. RESULTADOS: A área de exposição média do orbitozigomático no tronco foi de 164,7 ± 43,6 mm2. A exposição angular horizontal à zona mesencefálica anterior foi 37,9 ± 7,3o. A área média produzida pelo retrossigmoide foi 538,6 ± 161,0 mm2. As exposições angulares horizontal e vertical médias geradas por esse corredor para a zona pontina lateral foram 31,1 ± 6,7o e 49,3 ± 9,4o, respectivamente. A área média produzida pelo far-lateral foi 856,8 ± 139,7 mm2. As exposições angulares horizontal e vertical médias deste acesso para a zona olivar foram 40,8 ± 10,2o e 54,8 ± 6,8o. CONCLUSÃO: O acesso orbitozigomático oferece mínima área de exposição do tronco, mas melhor trajetória em relação à zona mesencefálica anterior que o subtemporal. O supracerebelar infratentorial extremo lateral oferece melhor trajetória e ângulos ao sulco mesencefálico lateral que o subtemporal. Não há diferença significativa entre as áreas de exposição e exposições angulares ao tronco entre o retrossigmoide e retrolabiríntico, mas este último oferece trajetória mais direta / INTRODUCTION: The brainstem is a small structure disposing of high concentration of nuclei and tract. Historically, there was enormous discussion on surgical indications to brainstem lesions. In spite of the evolution of microsurgery, skull base surgery, and neuronavigation, few groups bear experience managing this pathology. Whenever lesions do not surface on pia or ependyma, it is key using the safe entry zones, managing the brainstem, which represent tiny corridors where eloquent structures and perforators are sparse. OBJECTIVE: To quantify the working area provided by the main surgical approaches to brainstem, as well as angles of attack provided by the same approaches to the safe zones through cadaveric dissections. It was possible at the same time to detail the microanatomy of thirteen approaches, with stepwise images and descriptions, in order to aid spreading this knowledge in Portuguese. METHODS: Ten human cadavers were dissected in order to visually demonstrate 13 surgical approaches to brainstem and these safe zones: anterior mesencephalic, lateral mesencephalic sulcus, intercolicular, peritrigeminal, supratrigeminal, lateral pontine, supracollicular, infracollicular, median sulcus of the fourth ventricle, posteromedian sulcus and olivary. The following approaches were analyzed: orbitozigomatic, subtemporal, subtemporal transtentorial, subtemporal transtentorial with anterior petrosectomy, median suboccipital telovelar, median, paramedian and lateral supracerebellar infratentorial, retrossigmoid, far-lateral, anterior petrosectomy, retrolabyrinthine, and combined. Dissections were carried out from January to July 2010, at the Skull Base Laboratory in the Barrow Neurological Institute, Phoenix, Arizona, USA. The specimens were lightly fixed in formalin while arteries and veins were perfused with color silicone. They were dissected on a Mayfield head-holder, using a complete set of surgical instruments simulating an operative environment. Neuronavigation was utilized after every approach to collect tridimensional coordinates of predefined points on the craniotomy edges and within the surgical field. Using a specific software, these coordinates translate themselves into the following variables: areas of exposure, angles of attack and lengths of exposure. The variables were compared among them when 2 or more approaches addressed overlapped areas. RESULTS: The mean area of exposure provided by the orbitozygomatic on the brainstem was 164,7 ± 43,6 mm2. The horizontal angle of attack to the anterior mesencephalic zone was 37,9 ± 7,3o. Mean area delivered by the retrosigmoid was 538,6 ± 161,0 mm2. Mean horizontal and vertical angles of attack produced by this corridor aiming the lateral pontine zone were 31,1 ± 6,7o e 49,3 ± 9,4o, respectively. The farlateral approach produced a mean area of exposure of 856,8 ± 139,7 mm2. Mean horizontal and vertical angles of attack offered by this avenue aiming the olivary zone were 40,8 ± 10,2o e 54,8 ± 6,8o. CONCLUSION: The orbitozygomatic approach provides a minimum area of exposure, but a better trajectory concerning the anterior mesencephalic zone comparing to the subtemporal. The extreme lateral supracerebellar infratentorial yields better trajectory and wider angles to the lateral mesencephalic sulcus than the subtemporal. There is no significant difference regarding areas of exposure and angles of attack to the brainstem between the retrosigmoid and retrolabyrithine, but the latter produces a more direct trajectory

INTRODUÇÃO: O tronco encefálico é uma pequena estrutura com elevada concentração de núcleos e tratos. Historicamente, houve grande debate sobre indicações cirúrgicas às lesões no tronco encefálico. A despeito do desenvolvimento da microcirurgia, cirurgia da base do crânio e da neuronavegação, poucos grupos têm experiência no manejo daquelas lesões. Quando lesões no tronco encefálico não afloram à superfície pial, torna-se crucial o conhecimento de áreas de segurança de acesso ao tronco, as quais representam estreitos corredores em que há paucidade de estruturas eloquentes e ausência de vasos perfurantes. OBJETIVO: Quantificar a área de trabalho gerada pelos acessos cirúrgicos mais comumente utilizados ao tronco encefálico, além de definir as exposições angulares geradas pelos mesmos acessos às áreas de segurança por meio de dissecções cadavéricas. Adicionalmente, detalhamos a anatomia cirúrgica de treze acessos ao tronco encefálico, com fotografias passo a passo e descrições detalhadas para auxiliar na melhor difusão destas técnicas. MÉTODOS: Foi realizada dissecção anatômica de 10 cadáveres humanos para demonstração de 13 acessos cirúrgicos ao tronco encefálico e da anatomia das seguintes zonas de segurança: mesencefálica anterior, sulco mesencefálico lateral, intercolicular, peritrigeminal, supra-trigeminal, pontina lateral, supra-colicular, infra-colicular, sulco mediano do quarto ventrículo, sulco posteromediano e olivar. Os acessos estudados foram: orbitozigomático, subtemporal, subtemporal transtentorial, subtemporal transtentorial com petrosectomia anterior, suboccipital telovelar, supracerebelar infratentorial mediano, paramediano e lateral, retrossigmoideo, extremo lateral, petrosectomia anterior, retrolabiríntico, e combinado. A dissecção foi realizada entre Janeiro a Julho de 2010, no Laboratório de Base de Crânio do Barrow Neurological Institute, localizado em Phoenix, Arizona, EUA. Os espécimes fixados em formalina e com artérias e veias perfundidas com silicone colorido foram dissecados em suporte de Mayfield em mesa cirúrgica, com todo instrumental cirúrgico simulando um ambiente operatório. Após cada acesso, neuronavegador era utilizado para coletar coordenadas tridimensionais de pontos pré-definidos nas craniotomias e no campo operatório, os quais após análise em software específico, se traduziam em valores das seguintes variáveis: área de exposição, exposição angular e extensão de exposição. Os resultados obtidos foram comparados quando havia interseção de área ou zona de segurança. RESULTADOS: A área de exposição média do orbitozigomático no tronco foi de 164,7 ± 43,6 mm2. A exposição angular horizontal à zona mesencefálica anterior foi 37,9 ± 7,3o. A área média produzida pelo retrossigmoide foi 538,6 ± 161,0 mm2. As exposições angulares horizontal e vertical médias geradas por esse corredor para a zona pontina lateral foram 31,1 ± 6,7o e 49,3 ± 9,4o, respectivamente. A área média produzida pelo far-lateral foi 856,8 ± 139,7 mm2. As exposições angulares horizontal e vertical médias deste acesso para a zona olivar foram 40,8 ± 10,2o e 54,8 ± 6,8o. CONCLUSÃO: O acesso orbitozigomático oferece mínima área de exposição do tronco, mas melhor trajetória em relação à zona mesencefálica anterior que o subtemporal. O supracerebelar infratentorial extremo lateral oferece melhor trajetória e ângulos ao sulco mesencefálico lateral que o subtemporal. Não há diferença significativa entre as áreas de exposição e exposições angulares ao tronco entre o retrossigmoide e retrolabiríntico, mas este último oferece trajetória mais direta / INTRODUCTION: The brainstem is a small structure disposing of high concentration of nuclei and tract. Historically, there was enormous discussion on surgical indications to brainstem lesions. In spite of the evolution of microsurgery, skull base surgery, and neuronavigation, few groups bear experience managing this pathology. Whenever lesions do not surface on pia or ependyma, it is key using the safe entry zones, managing the brainstem, which represent tiny corridors where eloquent structures and perforators are sparse. OBJECTIVE: To quantify the working area provided by the main surgical approaches to brainstem, as well as angles of attack provided by the same approaches to the safe zones through cadaveric dissections. It was possible at the same time to detail the microanatomy of thirteen approaches, with stepwise images and descriptions, in order to aid spreading this knowledge in Portuguese. METHODS: Ten human cadavers were dissected in order to visually demonstrate 13 surgical approaches to brainstem and these safe zones: anterior mesencephalic, lateral mesencephalic sulcus, intercolicular, peritrigeminal, supratrigeminal, lateral pontine, supracollicular, infracollicular, median sulcus of the fourth ventricle, posteromedian sulcus and olivary. The following approaches were analyzed: orbitozigomatic, subtemporal, subtemporal transtentorial, subtemporal transtentorial with anterior petrosectomy, median suboccipital telovelar, median, paramedian and lateral supracerebellar infratentorial, retrossigmoid, far-lateral, anterior petrosectomy, retrolabyrinthine, and combined. Dissections were carried out from January to July 2010, at the Skull Base Laboratory in the Barrow Neurological Institute, Phoenix, Arizona, USA. The specimens were lightly fixed in formalin while arteries and veins were perfused with color silicone. They were dissected on a Mayfield head-holder, using a complete set of surgical instruments simulating an operative environment. Neuronavigation was utilized after every approach to collect tridimensional coordinates of predefined points on the craniotomy edges and within the surgical field. Using a specific software, these coordinates translate themselves into the following variables: areas of exposure, angles of attack and lengths of exposure. The variables were compared among them when 2 or more approaches addressed overlapped areas. RESULTS: The mean area of exposure provided by the orbitozygomatic on the brainstem was 164,7 ± 43,6 mm2. The horizontal angle of attack to the anterior mesencephalic zone was 37,9 ± 7,3o. Mean area delivered by the retrosigmoid was 538,6 ± 161,0 mm2. Mean horizontal and vertical angles of attack produced by this corridor aiming the lateral pontine zone were 31,1 ± 6,7o e 49,3 ± 9,4o, respectively. The farlateral approach produced a mean area of exposure of 856,8 ± 139,7 mm2. Mean horizontal and vertical angles of attack offered by this avenue aiming the olivary zone were 40,8 ± 10,2o e 54,8 ± 6,8o. CONCLUSION: The orbitozygomatic approach provides a minimum area of exposure, but a better trajectory concerning the anterior mesencephalic zone comparing to the subtemporal. The extreme lateral supracerebellar infratentorial yields better trajectory and wider angles to the lateral mesencephalic sulcus than the subtemporal. There is no significant difference regarding areas of exposure and angles of attack to the brainstem between the retrosigmoid and retrolabyrithine, but the latter produces a more direct trajectory

Introdução: No campo do tratamento cirúrgico de Gliomas, tem se observado um interesse crescente no uso de novas tecnologias de suporte como métodos auxiliares na obtenção do equilíbrio entre radicalidade cirúrgica e preservação da funcionalidade cerebral. Na maior parte dos estudos, a localização tumoral tem sido pouco considerada e a real eficácia das tecnologias de suporte ainda está pouco investigada nos gliomas insulares. Objetivos: avaliar a eficácia da fluorescência intraoperatória com 5-ALA, monitorização neurofisiológica, neuronavegação e tractografia no grau de ressecção tumoral (GRT), escores de funcionalidade, sobrevida global e sobrevida livre de progressão em uma coorte retrospectiva de gliomas insulares. Métodos: revisamos todos os casos de tumores insulares operados no Departamento de Neurocirurgia da Universidade de Tübingen - Alemanha, entre maio de 2008 e novembro de 2013. O grau de ressecção foi avaliado por volumetria. Foram utilizados os testes de Mann Whitney, Qui-quadrado e funções de Kaplan Meier para análise do efeito de cada tecnologia nos desfechos primários e secundários. Resultados: 28 casos - 18 homens (64%) e 10 mulheres (36%); idade média 52,5 anos (12 - 59) - foram inclusos para análise. Gliomas de alto grau corresponderam a 20 casos (71%), com 8 lesões de baixo grau (29%). As tecnologias mais utilizadas foram monitorização neurofisiológica (64%) e neuronavegação (68%). 5-ALA foi a única modalidade associada a taxas de ressecção > 90% (p = 0,05). O uso de tractografia determinou melhora no KPS (50% vs 5%, p = 0,02). Houve associação positiva entre o uso de neuronavegação e sobrevida global (23 vs. 27,4 meses, p = 0,03), mas o uso de 5-ALA se associou a piora na sobrevida global (34,8 vs 21,1 meses, p = 0,01) e sobrevida livre de progressão (24,4 vs. 11,8 meses, p = 0,01). Conclusões: Considerando os gliomas insulares, o presente trabalho demonstra pioneiramente que o uso de 5-ALA tem papel na obtenção de maiores taxas de ressecção, ainda que este achado possa estar associado a piora nas sobrevidas global e livre de progressão. Tractografia e neuronavegação parecem desempenhar papel importante no tratamento dos gliomas insulares, na medida em que determinaram melhor sobrevida global e funcionalidade, respectivamente. Estudos prospectivos com uma amostra mais proeminente e análise multivariada permitirão a avaliação do benefício real destas tecnologias de suporte no tratamento dos gliomas insulares / Introduction: In the field of Glioma surgery, there has been an increasing interest in the use of assistive technologies to overcome the difficulty of preserving brain function while improving surgical radicality. In most reports, tumor localization has seldom been considered a variable and the role of intraoperative adjuncts is yet to be determined for gliomas of the insula. Objectives: to evaluate the efficacy of fluorescence-guided resection with 5-ALA, intraoperative neurophysiological monitoring (IOM), neuronavigation, and tractography in the Extent of Resection (EOR), functionality scores, overall survival (OS) and progression-free survival (PFS) in a retrospective cohort of insular gliomas. Methods: we reviewed all cases of insular tumors operated on at the Department of Neurosurgery, University Hospital of Tübingen - Germany, between May 2008 and November 2013. EOR was determined by volumetric analysis. Mann Whitney, Chi-square and Kaplan Meier functions were used for assessment of each technology\'s effect on primary and secondary outcomes. Results: 28 cases (18 men (64%) and 10 women (36%); median age at diagnosis: 52.5 years, range 12 - 59) were considered eligible for analysis. High grade and low grade gliomas accounted for 20 (71%) and 8 (29%) cases, respectively. The most used technologies were IOM (64%) and Neuronavigation (68%). 5-ALA was the only technique associated with EOR > 90% (p = 0.05). Tractography determined improvement in the Karnofsky Performance Scale (50% vs 5% cases improved, p = 0.02). There was a positive association between the use of neuronavigation and overall survival (23 vs. 27.4 months, p = 0.03), but the use of 5-ALA was associated with shorter OS (34.8 vs. 21.1 months, p = 0.01) and PFS (24.4 vs. 11.8, p = 0.01). Conclusions: we demonstrate for the first time that for insular gliomas 5-ALA plays a role in achieving higher EOR, although this technology was associated with poor OS and PFS; Also tractography and neuronavigation can be of great importance in the treatment of insular gliomas as they determined better functionality and overall survival in this study, respectively. Prospective studies with a more prominent sample and proper multivariate analysis will help determine the real benefit of these adjuncts in the setting of insular gliomas

A estimulação magnética transcraniana (EMT) aplicada com diferentes orientações da bobina causa variações na amplitude e na latência dos potenciais evocados motores (PEM) dos músculos da mão. No entanto, as propriedades dos PEM são afetadas também pelos sistemas de detecção, e.g. localização e tamanho dos eletrodos de aquisição, e pela anatomia do músculo analisado, e.g. arquitetura dos tecidos muscular e adiposo. Neste estudo, verificamos como variam a distribuição espacial, a amplitude pico a pico, a latência, a velocidade de condução da fibra muscular e a frequência mediana do espectro de potência dos PEM em função da orientação da bobina de EMT. Utilizamos uma matriz bidimensional de eletrodos de superfície (grade com 13 linhas e 5 colunas) para aquisição do sinal de eletromiografia de superfície (EMGs) do músculo abdutor curto do polegar (ACP) em oito orientações da bobina de EMT em relação à linha sagital, que conecta o ínio ao násio. Duas abordagens distintas foram adotadas para comparação da amplitude em função da orientação da bobina: na primeira abordagem, calculamos a amplitude pico a pico média dos PEM compreendidos em uma região ativa do músculo localizada espacialmente a partir da matriz de EMGs, na segunda abordagem extraímos a amplitude do PEM no sinal diferencial de dois grupos de eletrodos simulando um sistema de EMGs em configuração bipolar, comumente utilizado nos procedimentos em EMT. Em ambos os métodos, identificamos amplitudes máximas para orientações da bobina em ângulos de 45° e 90°, corroborando os achados da literatura. A latência, frequência mediana e velocidade de condução dos PEM não apresentaram variações significativas com a orientação da bobina. Os mapas de distribuição espacial dos PEM indicam uma atividade muscular localizada na porção distal do músculo ACP para todos os ângulos de aplicação da EMT, demonstrando que os eletrodos convencionais de EMGs podem não estar idealmente localizados sobre a região do músculo ativada pela EMT. Por fim, identificamos que um sistema de neuronavegação pode facilitar a localização da estrutura cerebral a ser estimulada e aumentar a precisão no posicionamento da bobina. Adicionamos uma ferramenta para cálculo da orientação da bobina em função da linha sagital média de cada sujeito ao neuronavegador InVesalius Navigator, a ser utilizado nos próximos experimentos. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) pulses with different coil orientations causes changes in amplitudes and latencies of motor evoked potentials (MEP) in muscles of the hand. Nonetheless, the properties of MEP are also affected by the systems of detection, e.g. placement and size of acquisition electrodes; and by the target muscle anatomy, e.g. architecture of fat and muscles tissues. In this study, we assessed the effect of TMS coil orientation on MEP spatial distribution, peak-to-peak amplitude, latency, conduction velocity of muscle fiber and median frequency, from the abductor pollicis brevis (APB) muscle. A grid of electrodes (13 lines and 5 columns) was used to detect the surface electromyography (sEMG) signals from the APB at eight different TMS coil orientations in respect to the midsagital line, connecting the inium and nasium. Two distinct approaches were adopted to compare the amplitude according to the coil orientation: first, we calculated the mean amplitude of MEP in the electrodes of the matrix over an active region of the muscle. Second, we extracted the amplitude of MEP in a single differential signal from two groups of matrix electrodes simulating a conventional sEMG bipolar configuration, commonly used in TMS experiments. In both cases, the maximum MEP amplitudes were induced at coil orientations of 45° and 90°, confirming the past findings in literature. However, we could not identify significant differences in latency, median frequency and conduction velocity of MEP according to different stimulus orientation. Maps of spatial distribution showed a localized muscle activity at the distal portion of the APB muscle for all the coil orientations, indicating that conventional bipolar sEMG electrodes may not be rightly placed over the active portion of the muscle recruited by TMS. Finally, we considered that a neuronavigation system could facilitate the localization of brain internal structures to apply TMS stimulus and improve the accuracy of coil handling and positioning over the stimulation point. Thereafter, we developed a computational tool to the InVesalius Navigator, to track the TMS coil position and orientation in respect to the subjects midsagital line to be used in future experiments.

A estimulação magnética transcraniana (EMT) aplicada com diferentes orientações da bobina causa variações na amplitude e na latência dos potenciais evocados motores (PEM) dos músculos da mão. No entanto, as propriedades dos PEM são afetadas também pelos sistemas de detecção, e.g. localização e tamanho dos eletrodos de aquisição, e pela anatomia do músculo analisado, e.g. arquitetura dos tecidos muscular e adiposo. Neste estudo, verificamos como variam a distribuição espacial, a amplitude pico a pico, a latência, a velocidade de condução da fibra muscular e a frequência mediana do espectro de potência dos PEM em função da orientação da bobina de EMT. Utilizamos uma matriz bidimensional de eletrodos de superfície (grade com 13 linhas e 5 colunas) para aquisição do sinal de eletromiografia de superfície (EMGs) do músculo abdutor curto do polegar (ACP) em oito orientações da bobina de EMT em relação à linha sagital, que conecta o ínio ao násio. Duas abordagens distintas foram adotadas para comparação da amplitude em função da orientação da bobina: na primeira abordagem, calculamos a amplitude pico a pico média dos PEM compreendidos em uma região ativa do músculo localizada espacialmente a partir da matriz de EMGs, na segunda abordagem extraímos a amplitude do PEM no sinal diferencial de dois grupos de eletrodos simulando um sistema de EMGs em configuração bipolar, comumente utilizado nos procedimentos em EMT. Em ambos os métodos, identificamos amplitudes máximas para orientações da bobina em ângulos de 45° e 90°, corroborando os achados da literatura. A latência, frequência mediana e velocidade de condução dos PEM não apresentaram variações significativas com a orientação da bobina. Os mapas de distribuição espacial dos PEM indicam uma atividade muscular localizada na porção distal do músculo ACP para todos os ângulos de aplicação da EMT, demonstrando que os eletrodos convencionais de EMGs podem não estar idealmente localizados sobre a região do músculo ativada pela EMT. Por fim, identificamos que um sistema de neuronavegação pode facilitar a localização da estrutura cerebral a ser estimulada e aumentar a precisão no posicionamento da bobina. Adicionamos uma ferramenta para cálculo da orientação da bobina em função da linha sagital média de cada sujeito ao neuronavegador InVesalius Navigator, a ser utilizado nos próximos experimentos. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) pulses with different coil orientations causes changes in amplitudes and latencies of motor evoked potentials (MEP) in muscles of the hand. Nonetheless, the properties of MEP are also affected by the systems of detection, e.g. placement and size of acquisition electrodes; and by the target muscle anatomy, e.g. architecture of fat and muscles tissues. In this study, we assessed the effect of TMS coil orientation on MEP spatial distribution, peak-to-peak amplitude, latency, conduction velocity of muscle fiber and median frequency, from the abductor pollicis brevis (APB) muscle. A grid of electrodes (13 lines and 5 columns) was used to detect the surface electromyography (sEMG) signals from the APB at eight different TMS coil orientations in respect to the midsagital line, connecting the inium and nasium. Two distinct approaches were adopted to compare the amplitude according to the coil orientation: first, we calculated the mean amplitude of MEP in the electrodes of the matrix over an active region of the muscle. Second, we extracted the amplitude of MEP in a single differential signal from two groups of matrix electrodes simulating a conventional sEMG bipolar configuration, commonly used in TMS experiments. In both cases, the maximum MEP amplitudes were induced at coil orientations of 45° and 90°, confirming the past findings in literature. However, we could not identify significant differences in latency, median frequency and conduction velocity of MEP according to different stimulus orientation. Maps of spatial distribution showed a localized muscle activity at the distal portion of the APB muscle for all the coil orientations, indicating that conventional bipolar sEMG electrodes may not be rightly placed over the active portion of the muscle recruited by TMS. Finally, we considered that a neuronavigation system could facilitate the localization of brain internal structures to apply TMS stimulus and improve the accuracy of coil handling and positioning over the stimulation point. Thereafter, we developed a computational tool to the InVesalius Navigator, to track the TMS coil position and orientation in respect to the subjects midsagital line to be used in future experiments.

Introdução: No campo do tratamento cirúrgico de Gliomas, tem se observado um interesse crescente no uso de novas tecnologias de suporte como métodos auxiliares na obtenção do equilíbrio entre radicalidade cirúrgica e preservação da funcionalidade cerebral. Na maior parte dos estudos, a localização tumoral tem sido pouco considerada e a real eficácia das tecnologias de suporte ainda está pouco investigada nos gliomas insulares. Objetivos: avaliar a eficácia da fluorescência intraoperatória com 5-ALA, monitorização neurofisiológica, neuronavegação e tractografia no grau de ressecção tumoral (GRT), escores de funcionalidade, sobrevida global e sobrevida livre de progressão em uma coorte retrospectiva de gliomas insulares. Métodos: revisamos todos os casos de tumores insulares operados no Departamento de Neurocirurgia da Universidade de Tübingen - Alemanha, entre maio de 2008 e novembro de 2013. O grau de ressecção foi avaliado por volumetria. Foram utilizados os testes de Mann Whitney, Qui-quadrado e funções de Kaplan Meier para análise do efeito de cada tecnologia nos desfechos primários e secundários. Resultados: 28 casos - 18 homens (64%) e 10 mulheres (36%); idade média 52,5 anos (12 - 59) - foram inclusos para análise. Gliomas de alto grau corresponderam a 20 casos (71%), com 8 lesões de baixo grau (29%). As tecnologias mais utilizadas foram monitorização neurofisiológica (64%) e neuronavegação (68%). 5-ALA foi a única modalidade associada a taxas de ressecção > 90% (p = 0,05). O uso de tractografia determinou melhora no KPS (50% vs 5%, p = 0,02). Houve associação positiva entre o uso de neuronavegação e sobrevida global (23 vs. 27,4 meses, p = 0,03), mas o uso de 5-ALA se associou a piora na sobrevida global (34,8 vs 21,1 meses, p = 0,01) e sobrevida livre de progressão (24,4 vs. 11,8 meses, p = 0,01). Conclusões: Considerando os gliomas insulares, o presente trabalho demonstra pioneiramente que o uso de 5-ALA tem papel na obtenção de maiores taxas de ressecção, ainda que este achado possa estar associado a piora nas sobrevidas global e livre de progressão. Tractografia e neuronavegação parecem desempenhar papel importante no tratamento dos gliomas insulares, na medida em que determinaram melhor sobrevida global e funcionalidade, respectivamente. Estudos prospectivos com uma amostra mais proeminente e análise multivariada permitirão a avaliação do benefício real destas tecnologias de suporte no tratamento dos gliomas insulares / Introduction: In the field of Glioma surgery, there has been an increasing interest in the use of assistive technologies to overcome the difficulty of preserving brain function while improving surgical radicality. In most reports, tumor localization has seldom been considered a variable and the role of intraoperative adjuncts is yet to be determined for gliomas of the insula. Objectives: to evaluate the efficacy of fluorescence-guided resection with 5-ALA, intraoperative neurophysiological monitoring (IOM), neuronavigation, and tractography in the Extent of Resection (EOR), functionality scores, overall survival (OS) and progression-free survival (PFS) in a retrospective cohort of insular gliomas. Methods: we reviewed all cases of insular tumors operated on at the Department of Neurosurgery, University Hospital of Tübingen - Germany, between May 2008 and November 2013. EOR was determined by volumetric analysis. Mann Whitney, Chi-square and Kaplan Meier functions were used for assessment of each technology\'s effect on primary and secondary outcomes. Results: 28 cases (18 men (64%) and 10 women (36%); median age at diagnosis: 52.5 years, range 12 - 59) were considered eligible for analysis. High grade and low grade gliomas accounted for 20 (71%) and 8 (29%) cases, respectively. The most used technologies were IOM (64%) and Neuronavigation (68%). 5-ALA was the only technique associated with EOR > 90% (p = 0.05). Tractography determined improvement in the Karnofsky Performance Scale (50% vs 5% cases improved, p = 0.02). There was a positive association between the use of neuronavigation and overall survival (23 vs. 27.4 months, p = 0.03), but the use of 5-ALA was associated with shorter OS (34.8 vs. 21.1 months, p = 0.01) and PFS (24.4 vs. 11.8, p = 0.01). Conclusions: we demonstrate for the first time that for insular gliomas 5-ALA plays a role in achieving higher EOR, although this technology was associated with poor OS and PFS; Also tractography and neuronavigation can be of great importance in the treatment of insular gliomas as they determined better functionality and overall survival in this study, respectively. Prospective studies with a more prominent sample and proper multivariate analysis will help determine the real benefit of these adjuncts in the setting of insular gliomas

Abstract In brain surgery the operated region is often removable pathological tissue or a functional nucleus. To reach the region neurosurgeons utilize imaging and guiding methods to locate and demarcate the region of surgical interest (ROSI). This thesis has focused on the three most common intraoperative imaging modalities used in brain surgery, namely magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging (US) and computed tomography (CT). The aim was to form practical intraoperative imaging concepts for brain tumor resections and stereotactic procedures and then to evaluate their feasibility and accuracy. A versatile intraoperative MRI (iMRI) unit based on a 0.23 T resistive C-shaped scanner was designed, assembled and studied. The horizontally open resistive magnet enabled a staged imaging protocol with adequate image quality during neurosurgical operations while minimizing patient movement between the imaging and surgical spaces. Turning off the magnetic field eliminated the safety risks associated with operating in magnetic fringe fields. Edema attenuation was studied to investigate the capability of inversion recovery (IR) MRI-sequences to suppress signal from edema, thereby differentiating it from resectable tumor and improving image quality in the low-field MRI unit. Use of the edema suppression IR sequence was a promising tool for image guided neurosurgery (IGS) in the context of the ROSI paradigm, but its use intraoperatively was restricted by clinical limitations. Use of the second intraoperative imaging method, US, was studied in the intraoperative MRI environment. When these intraoperative imaging modalities, US and MRI, were interlinked together using the neuronavigation method, the localization and delineation of the region of surgical interest was more reliable. The third intraoperative imaging method, CT with limited scanning volume, was studied in stereotactic operations where exact spatial information is the fundamental property at the cost of soft tissue contrast. The concept allowed neurosurgeons to scan the patients intraoperatively in 2D- or 3D-mode, to calculate coordinates of the specific target, to control the positioning of the applied instruments and to ensure final position of implanted objects. Thus neurosurgeons obtained valuable supplemental information of the results including the possibility to exclude hemorrhages. Results of this thesis indicate that the use of intraoperative imaging methods with the neuronavigation should be available in sophisticated neurosurgical centers and used selectively in neurosurgical operations. Users should be familiar with the benefits and limitations of applied modalities. / Tiivistelmä Tutkimus käsittelee magneettikuvauksen (MK), ultraäänikuvauksen (UÄ) ja tietokonetomografian (TT) käyttöä aivojen neurokirurgisissa operaatioissa. Päämääränä oli muodostaa edellä mainittuja menetelmiä soveltamalla leikkauksen aikaisen kuvantamisen konsepteja, joita voidaan käyttää aivotuumoreiden poistoissa ja aivojen stereotaktisissa toimenpiteissä. Työssä on myös tutkittu konseptien käytettävyyttä ja tarkkuutta. Leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen tutkimiseksi suunniteltiin ja toteutettiin resistiiviseen ja avoimeen 0,23 T:n MK-laitteistoon perustuva leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen konsepti. Horisontaalisesti avoin, resistiivinen ja matalakenttäinen MK-laitteisto mahdollisti neurokirurgisen potilaan kuvantamisen tarkoituksenmukaisella kuvanlaadulla ja kirurgisen toiminnan samassa tilassa vähäisellä potilaan siirtämisellä kuvantamis- ja operointialueen välillä. Magneettikentässä työskentelyyn liittyvät riskit voitiin minimoida sammutettavan magneettikentän avulla. Kasvainkudoksen ympärille muodostuva aivoturvotus voi hankaloittaa leikattavan alueen paikantamista. Rajapinnan korostamiseksi selvitettiin käänteispalautukseen perustuvan MK-sekvenssin mahdollisuuksia vaimentaa aivoturvotuksesta tulevaa signaalia matalakenttäisessä magneettikuvauksessa. Aivoturvotuksen suppressointi magneettikuvista todettiin lupaavaksi työkaluksi kirurgisesti poistettavan aivokasvainalueen rajaamisessa, mutta sen käytettävyys leikkauksen aikana osoittautui rajalliseksi. Leikkauksen aikainen ultraäänikuvaus liitettiin yhteen leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen kanssa käyttämällä apuna neuronavigointilaitteistoa. Yhdistämällä nämä kaksi leikkauksen aikaista kuvantamismenetelmää saatiin täsmällisempää tietoa operoitavan kohteen sijainnista ja rajautumisesta. Stereotaktisen syväaivostimulaattorin asennuksen ohjaamiseksi ja kontrolloimiseksi kehitettiin menetelmä, jossa hyödynnetään kartiokeila-TT-laitteistoa leikkauksen aikana. Menetelmä mahdollisti potilaan kuvantamisen kaksi- ja kolmiulotteisesti leikkauksen aikana. Menetelmässä ratkaistiin käytetyn kuvantamislaitteen puutteellisen kuva-alan aiheuttamat rajoitukset. Tiedon avulla voitiin määrittää tarkasti kohdetumakkeiden stereotaktiset koordinaatit, kontrolloida toimenpiteen eri vaiheissa aivoissa käytettävien instrumenttien paikka ja varmentaa aivoihin jätettävien elektrodien lopullinen sijainti. Kuvantamisen avulla kyettiin poissulkemaan leikkauksen aikana mahdollinen aivoverenvuoto. Työn tulokset osoittavat, että leikkauksen aikainen kuvantaminen ja neuronavigointi tulisi olla käytettävissä neurokirurgisissa keskuksissa. Käytettävät menetelmät tulisi valikoida toimenpiteen mukaan ja menetelmiä soveltavien tulisi olla perehtyneitä eri modaliteettien ominaisuuksiin.