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.

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.