Optical Coherence Tomography Distal Sensor Based Handheld Microsurgical Tools

Microsurgery is typically differentiated from a general surgery in that it requires a precise sub-millimeter manipulation that could only be achievable under optical magnification. For instance, microsurgeons use surgical microscopes to view surgical sites and train themselves several years to acquire surgical skills to perform the delicate procedures. However, such microsurgical approach imposes considerable physical stress and mental fatigue on the surgeons and these could be sources for surgical risks and complications. For these reasons, a variety of robotic based surgical guidance methods have been developed and studied with the hope of providing safer and more precise microsurgery. These robotic arm based systems have been developed to provide precise tool movement and to remove physiological hand tremor, which is one of the main limiting factors that prevents precise tool manipulation. In another approaches use simpler system that adds robotic functions to existing handheld surgical tools. It is a hybrid system that incorporates the advantages of conventional manual system and robot-assist system. The advantages of such hybrid handheld systems include portability, disposability, and elimination of the large robotic-assist systems in complex surgical environment. The most critical benefit of the hybrid handheld system is its ease of use since it allows surgeons to manipulate tools mostly using their hand. However due to the imprecise nature of tool control using hands, tool tracking is more critical in handheld microsurgical tool systems than that of robotic arm systems. In general, the accuracy of the tool control is largely determined by the resolution of the sensors and the actuators. Therefore, it is essential to develop a real-time high resolution sensor in order to develop a practical microsurgical tools. For this reason, a novel intuitive targeting and tracking scheme that utilizes a common-path swept source optical coherence tomography (CP-SSOCT) distal sensor was developed integrated with handheld microsurgical tools. To achieve micron-order precision control, a reliable and accurate OCT distal sensing method was developed. The method uses a prediction algorithm is necessary to compensate for the system delay associated with the computational, mechanical and electronic latencies. Due to the multi-layered structure of retina, it was also necessary to develop effective surface detection methods rather than simple peak detection. The OCT distal sensor was integrated into handheld motion-guided micro-forceps system for highly accurate depth controlled epiretinal membranectomy. A touch sensor and two motors were used in the forceps design to minimize the motion artifact induced by squeezing, and to independently control the depth guidance of the tool-tip and the grasping action. We also built a depth guided micro-injector system that enables micro-injection with precise injection depth control. For these applications, a smart motion monitoring and a guiding algorithm were developed to provide precise and intuitive freehand control. Finally, phantom and ex-vivo bovine eye experiments were performed to evaluate the performance of the proposed OCT distal sensor and validate the effectiveness of the depth-guided micro-forceps and micro-injector over the freehand performance

Développement et validation de sondes en fibre optique miniaturisées pour le guidage intra-opératoire d’interventions intraoculaires

Les procédures chirurgicales intraoculaires sont des procédures difficiles par la précision qu’elles demandent, on parle de microchirurgie, mais aussi par la difficulté et la faible qualité de visualisation des tissus à traiter. En effet, dans la plupart des procédures intraoculaires le chirurgien utilise uniquement un microscope ophtalmologique qui ne permet la visualisation des tissus que par la pupille du patient et offre une perception limitée de la profondeur. La Tomographie en Cohérence Optique (OCT) fournit des images en profondeur des tissus sains de manière non invasive, elle est utilisée couramment en diagnostic ophtalmologique et est de plus en plus utilisée intra-opérativement. Dans cette thèse nous allons présenter deux systèmes OCT intra-opératifs qui visent à assister les chirurgiens sur deux procédures intraoculaires, la vitrectomie et l’injection sous-rétinienne. Pour ces deux projets nous avons utilisé le matériel chirurgical utilisé cliniquement pour plusieurs raisons : s’assurer d’utiliser des outils adéquats (dimensions, efficacité, sécurité) pour la procédure, garder des outils que les chirurgiens utilisent régulièrement et avec lesquels ils sont familiers et limiter les coûts de développement. Pour le système OCT nous avons utilisé des sondes OCT en fibre optique car elles sont flexibles, bon marché et de petit diamètre. Leur focalisation peut également être modifiée dépendamment de l’application avec une fibre optique GRIN à leur extrémité pour augmenter le signal OCT. Nous avons ainsi attaché à ces outils chirurgicaux des sondes OCT en fibre optique. Pour le projet portant sur les injections sous-rétiniennes il a fallu dans un premier temps développer des sondes OCT avec des diamètres plus petits que ceux existant. Pour ce faire nous avons développé une méthode permettant de réduire le diamètre des sondes avec de l’acide fluorhydrique et grâce à un design permettant de conserver les propriétés optiques des sondes. Ce travail est présenté dans le premier article. Le second article présente un système permettant de guider les injections sous-rétiniennes. L’injection sous-rétinienne est une intervention chirurgicale de haute précision visant à restaurer et/ou préserver la vision des patients souffrant de maladies rétiniennes. Néanmoins, l’injection sous-rétinienne reste à la limite des capacités physiologiques humaines en raison des tremblements de la main et peut être compromise par le reflux du médicament si l’injection n’est pas assez profonde dans la rétine. Nous avons développé un système pour guider l’injection avec un micromanipulateur et donner des informations précises sur la profondeur au chirurgien avec l’OCT intra-opératif. Après avoir miniaturisé une sonde OCT en fibre optique avec la méthode présentée dans l’article 1 nous avons pu l’insérer dans une canule utilisée cliniquement. La sonde couplée à un système OCT que nous avons développé acquiert un signal A-scan qui va permettre de connaitre la distance entre la canule et la rétine mais aussi de sélectionner la profondeur de l’injection dans les couches rétiniennes. La canule est attachée à un micromanipulateur qui assure son déplacement dans l’œil. Une image M-scan est construite avec le signal OCT et le chirurgien peut directement sélectionner sur l’image la profondeur de l’injection. Nous avons développé l’interface sur Labview. Après avoir sélectionné la cible de l’injection le programme de guidage va déplacer la canule et injecter le volume adéquat grâce à une pompe contrôlable. Nous avons validé notre système de guidage sur des yeux de porcs ex-vivo. Sur 40 injections 38 présentaient un décollement rétinien ciblé et localisé, preuve de la réussie de l’injection rétinienne ce qui représente un taux de succès de 95% (CI : 83.1 – 99.4). Nous avons aussi grâce à un algorithme de traitement de l’image calculé le volume présent sous la rétine après l’injection que nous avons comparé au volume injecté. Nous avons ainsi trouvé que 75% du volume initialement injecté se retrouve bien sous la rétine. Le troisième article présente un système permettant d’arrêter automatiquement le vitrecteur lors d’une vitrectomie pour réduire les dommages accidentels sur la rétine. La survenue de déchirures rétiniennes iatrogèniques dans la vitrectomie par la pars plane est une complication qui compromet l’efficacité globale de la chirurgie. Un certain nombre de déchirures rétiniennes iatrogènes se produisent lorsque la rétine est coupée accidentellement par le vitrecteur. Nous avons développé un vitrecteur intelligent capable de détecter en temps réel une coupure rétinienne accidentelle et de désactiver rapidement la machine de vitrectomie pour les prévenir. Ce vitrecteur intelligent est composé d’une sonde OCT attachée au vitrecteur et va avoir comme rôle de détecter si le vitrecteur aspire la rétine et va endommager ces tissus sains. La sonde OCT agit comme un détecteur de présence devant l’ouverture du vitrecteur, ceci en comparant un signal de référence avec le signal en direct. Cette comparaison de signal OCT va commander un bras robotique pour actionner la pédale d’arrêt du vitrecteur. Ainsi le chirurgien n’a pas besoin d’interpréter un signal, la décision d’arrêt du vitrecteur dû à la présence de la rétine est prise automatiquement. Ceci va permettre de réduire grandement, de 300 ms à 29 ms, le délai de la prise de décision d’arrêt du vitrecteur précédemment limité par le temps de réaction du chirurgien. Nous avons développé les sondes OCT, le système OCT ainsi que l’algorithme d’arrêt automatique de ce système. Nous avons validé sur des yeux porcins in-vivo, deux chirurgiens ont utilisé notre système en essayant d’endommager les tissus rétiniens. 70% (CI : 56.39 – 82.02) des tentatives de dommages rétiniens des chirurgiens furent atténuées ou empêchées par notre système. Ce projet a abouti au dépôt d’un brevet ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040).Intraocular surgical procedures are difficult procedures because of the precision they require, they are often referred as microsurgery, but also by the little information available to the surgeon. In most intraocular procedures the surgeon only uses an ophthalmic microscope which allows visualization of tissue just through the patient’s pupil and offers limited depth perception. Optical Coherence Tomography (OCT) provides in-depth images of healthy tissue in a non-invasive manner, is commonly used in ophthalmologic diagnostics, and is increasingly used intraoperatively. In this thesis we will present two intraoperative OCT systems that aim to assist surgeons with two intraocular procedures, vitrectomy and subretinal injection. For these two projects we used the surgical equipment used clinically for several reasons : to make sure to use adequate tools (dimensions, efficiency, safety) for the procedure, to keep tools that surgeons use regularly and with which they are familiar and limit development costs. For the OCT system we used fiber optic OCT probes as they are flexible, cheap and small in diameter. Their focus can also be modified, depending the application, with a GRIN fiber at their tip to increase the OCT signal. We have attached optical fiber OCT probes to these surgical tools. For the subretinal injections project it was first necessary to develop OCT probes with smaller diameters than existing ones. To do this, we have developed a method to reduce the diameter of the probes with hydrofluoric acid and a design to maintain the optical properties of the probes. This work is presented in the first article. The second article presents a system for guiding subretinal injections. Subretinal injection of drugs is a challenging surgical intervention aiming to restore and/or preserve the vision of patients suffering from retinal diseases. Nevertheless, the subretinal injection remains at the edge of human physiological capacity because of hand tremor and can be mitigated by drug reflux if the injection is not deep enough in the retina. We developed a system to guide the injection with a micromanipulator and give precise depth information to the surgeon with intraoperative OCT. To do so we first miniaturized an optical fiber OCT probe with the method presented in article 1, we were able to insert it into a cannula used clinically. The probe coupled to an OCT system that we have developed acquires an A-scan signal which enables to know the distance between the cannula and the retina but also to select the depth of the injection into the retinal layers. The cannula is attached to a micromanipulator that moves it inside the eye. An M-scan image is built with the OCT signal and the surgeon can directly select on the image the depth of the injection. We developed the interface on Labview. After selecting the injection target, the guidance program will move the cannula and inject the appropriate volume using a controllable pump.We have validated our guidance system on pig eyes ex-vivo. Out of 40 injections, 38 presented a retinal detachment, proof of a successful retinal injection, which represents a success rate of 95% (CI : 83.1 – 99.4). Thanks to an image processing algorithm, we also calculated the bleb volume under the retina after the injection, which we compared to the initial injected volume. We have found that 75% of the injected volume ends in the subretinal space. The third article presents for automatically stopping the vitrector during a vitrectomy. The occurrence of iatrogenic retinal breaks in pars plana vitrectomy is a complication that compromises the overall efficacy of the surgery. A subset of iatrogenic retinal break occurs when the retina is cut accidentally by the vitrector. We developed a smart vitrector that can detect in real-time potential accidental retinal cut and activate promptly a vitrectomy machine to prevent them. To do so an OCT probe is attached to the vitrector and will have the role of detecting if the vitrector sucks the retina and will damage these healthy tissues. The OCT probe acts as a presence detector in front of the vitrector opening, by comparing a reference signal with the live signal. This OCT signal comparison will control a robotic arm to operate the vitrector stop pedal. Thus, the surgeon does not need to interpret a signal, the decision to stop the vitrector due to the presence of the retina is taken automatically. This will greatly reduce, from 300 ms to 29 ms, the delay to stop the vitrector previously limited by the reaction time of the surgeon. We have developed the OCT probes, the OCT system, and the automatic shutdown algorithm for this system. We validated our system on in-vivo porcine eyes, two surgeons used the modified vitrector trying to damage retinal tissue. 70% (CI : 56.39 – 82.02) of surgeons’ retinal damage attempts were mitigated or prevented by our system. This project resulted in a patent ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040)