Tomographie par cohérence optique pour le guidage de chirurgies minimalement invasives du rachis

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale nécessitant une intervention chirurgicale pour les courbures sévères. Les méthodes chirurgicales actuellement utilisées sont très invasives; elles requièrent une large incision, une instrumentation massive en plus de la fusion d’une section de la colonne. Afin d’améliorer les conditions postopératoires et de préserver la flexibilité des patients scoliotiques, de nouvelles approches chirurgicales sans fusion osseuse faisant plutôt appel à la modulation de la croissance ont été développées récemment. Dans cette veine, une équipe multidisciplinaire de l’École Polytechnique de Montréal et du Centre de recherche du CHU Sainte-Justine développe actuellement une technique basée sur l’insertion de micro-agrafes entre la plaque de croissance de la vertèbre et le disque intervertébral. Ce dispositif permet de moduler passivement la croissance des vertèbres du côté convexe de la courbure scoliotique. Cette modulation modifie alors la géométrie des vertèbres qui, chez les patients scoliotiques, présente une cunéiformisation. La modulation induite par ces dispositifs permettrait alors de corriger la courbure de la colonne. Cette technique innovatrice permettrait de préserver la flexibilité de la colonne et la santé du disque intervertébral en plus d’être compatible avec des approches minimalement invasives. Pour être efficaces, les micro-agrafes doivent néanmoins être positionnées avec une précision sous-millimétrique à l’interface entre la plaque de croissance et le disque intervertébral. Un guidage peropératoire en temps réel est ainsi nécessaire au succès de ce type d’intervention. La tomographie par cohérence optique (OCT) est un bon candidat pour cette application. L’OCT se base sur une technique d’interférométrie à faible cohérence afin de fournir des coupes transversales d’une dizaine de micromètres de résolution sur 2 à 3 mm en profondeur. Cette technique présente une acquisition en temps réel et est compatible avec l’endoscopie, démontrant ainsi un potentiel intéressant pour le guidage peropératoire de chirurgies minimalement invasives (MIS) de la colonne. L’objectif général de ce projet de maîtrise est donc d’évaluer la capacité de l’OCT à localiser et identifier les structures rachidiennes (plaque de croissances, tissu osseux, disques intervertébraux et tissu conjonctif) ainsi qu’à guider l’implantation de micro-agrafes. Pour ce faire, une sonde OCT respectant les contraintes chirurgicales d’une MIS effectuée par thoracoscopie (via le thorax) a été conçue et développée. Cette sonde présente un diamètre externe de 17 mm et fait 30 cm de long. Couplée à un interféromètre fibré, la sonde permet des----------ABSTRACT Adolescent idiopathic scoliosis is a complex 3D deformity of the spine which requires surgical intervention in severe cases of the condition. The existing corrective procedure of scoliosis is very invasive; it involves a long incision and a large instrumentation, in addition to the fusion of a section of the spine. To improve postoperative conditions and to preserve patients’ spinal flexibility, novel fusionless surgical approaches involving growth modulation are under investigation. With this objective in mind, a multidisciplinary team from École Polytechnique of Montreal and Sainte-Justine University Hospital Research Center is developing a surgical technique based on the insertion of micro-staples between vertebral growth plates and corresponding intervertebral disks. Each micro-staple passively modulates the vertebral growth on the convex side of the scoliotic curvature. This modulation modifies vertebral geometry which, for scoliotic patients, presents a wedging deformity. The modulation induced by these devices could lead to the correction of the curvature of the spine. This innovative procedure would preserve the flexibility of the spine as well as the health of intervertebral disks, in addition to being compatible with minimally invasive approaches. However, to be efficient, the micro-staples must be placed at the junction between the growth plate and the disk with a sub-millimeter precision. An intraoperative guiding system is therefore required to ensure the success of the intervention. Optical coherence tomography (OCT) is a promising candidate for this application. OCT is based on low-coherence interferometry and provides cross-sectional images with a resolution about 10 μm for a depth of 2 to 3 mm. This technique allows for the real-time acquisition of images and is compatible with endoscopy, thereby showing a potential for the intraoperative guidance of minimally invasive surgeries (MIS) of the spine. The main objective of this master’s project is therefore to evaluate the possibility of using OCT to localize as well as identify spinal structures (such as growth plates, osseous tissue, intervertebral disks and connective tissue) and to guide the insertion of micro-staples. To attain this objective, an OCT handheld probe was designed and developed according to the surgical constraints of MIS performed by thoracoscopy (through the thorax). This probe has an external diameter of 17 mm and is 30 cm long. Coupled with a fibered interferometer, the axial and lateral resolutions of the probe are of 16 and 27 μm respectively. The OCT probe wa

Double-Clad Fiber-Based Systems and Devices as a Therapeutic and Diagnostic Tool for Barrett's Esophagus

RÉSUMÉ L’oesophage de Barrett est une pathologie pré-cancéreuse caractérisée par la présence d’épithélium gastrique au niveau du segment inférieur de l’oesophage. La détection précoce ainsi qu’une surveillance périodique de cette pathologie sont critiques d’autant plus qu’un risque élevé de développer un adénocarcinome oesophagien, une forme cancéreuse avec un taux de survie après 5 ans de 13%, y est associé. Les patients atteints de l’oesophage de Barrett doivent subir une surveillance périodique impliquant la collection d’échantillons de biopsie dans chaque quadrant et à tous les 2 cm le long du segment affecté, une procédure réalisée sous guidage gastroscopique. Étant donné la nature aléatoire et le taux d’échantillonnage faible, cette procédure est typiquement associée avec un taux élevé de résultats faux-négatifs. L’amélioration de l’efficacité ainsi que la diminution des coûts de la surveillance de l’œsophage de Barrett aurait un impact significatif sur la gestion clinique de ces patients. La tomographie par cohérence optique (optical coherence tomography ou OCT) a été proposée pour le guidage de la collection d’échantillons de biopsie afin d’en augmenter le rendement et de réduire le taux de faux-négatif. L’OCT est une technique d’imagerie optique basée sur l’interférométrie à faible cohérence permettant d’obtenir des coupes transversales de tissus biologiques jusqu’à quelques millimètres en profondeur et avec une résolution de l’ordre de 10 μm. L’OCT de l’oesophage est typiquement réalisée à l’aide d’une sonde fibrée en rotation incluse dans un cathéter à ballonet. Afin d’identifier la région d’intérêt pour la biopsie, un laser à haute puissance est utilisé, à travers la même fibre optique, afin de produire une marque superficielle de coagulation visible à la gastroscopie. Cette procédure est appelée le marquage par laser. Ce concept a d’abord été démontré à l’aide d’un laser continu avec une durée d’illumination qui, pour obtenir un marquage avec un contrast sufficient, nécessite l’arrêt de la rotation de la sonde. En plus d’allonger la durée de la procédure, le marquage et l’imagerie ne peuvent pas être faits simultanément. Nous proposons ainsi un système permettant le marquage par laser dynamique, c’est-à-dire que le marquage est réalisé avec la sonde en rotation, simultanément à l’OCT. L’utilisation d’une puissance crête élevée et de pulses courts pourraient permettre le marquage par laser dynamique en tirant avantage du confinement thermique de l’énergie.----------ABSTRACT Barrett’s esophagus is a pre-malignant lesion characterized by the presence of gastric epithelium lining the lower esophagus. Early detection and surveillance of this pathology is critical as it is associated with an increased risk for esophageal adenocarcinoma, a form of cancer with a 5-year survival rate of 13%. Barrett’s esophagus patients undergo periodic surveillance involving four quadrant biopsies every 2 cm along the Barrett’s segment under video endoscopy guidance. However, given the randomness and the low sampling ratio of the biopsy collection,the procedure is typically associated with high rate of false-negative results. Increasing the efficiency and the cost-effectiveness of endoscopic surveillance of Barrett’s esophagus would have a significant impact in the clinical managements of these patients. Optical coherence tomography (OCT) was proposed as a means to guide the biopsy procedure, therefore increasing the biopsy yield and reducing the false-negative rate. OCT is an optical imaging technique using low-coherence interferometry to provide cross-sectional images of tissues to a depth up to a few millimeters with a resolution on the order of 10 μm. OCT imaging of the gastro-intestinal (GI) tract is typically performed through a rotating fiber optic probe within a balloon-catheter. To identify a biopsy’s region-of-interest, a higher power laser is propagated through the same fiber optics in order to create a superficial coagulation mark onto the tissue visible under video endoscopy, a procedure called laser marking. Previous implementations used a continuous laser such that, to achieve a coagulation mark with sufficient contrast, the duration of the irradiation required the catheter’s rotation to be stopped. In addition to lengthening the procedure time, marking and imaging could not be done simultaneously. We herein propose a system capable of dynamic laser marking (i.e. marking is performed on-the-fly, while the catheter is spinning) for concurrent imaging and marking. The use of high peak power and short pulses could enable dynamic laser marking, taking advantage of thermal confinement

Tissue-like phantoms for quantitative birefringence imaging

Birefringence imaging, including polarization sensitive optical coherence tomography (PS-OCT), can provide valuable insight into the microscopic structure and organization of many biological tissues. In this paper, we report on a method to fabricate tissue-like birefringence phantoms for such imaging modalities. We utilize the photo-elastic effect, wherein birefringence is induced by stretching a polymer sample after heating it above its glass-transition temperature. The cooled samples stably exhibit homogeneous birefringence, and were assembled into phantoms containing multiple well-defined regions of distinct birefringence. We present planar slab phantoms for microscopy applications and cylindrical phantoms for catheter-based imaging and demonstrate quantitative analysis of the birefringence within individual regions of interest. Birefringence phantoms enable testing, validating, calibrating, and improving PS-OCT acquisition systems and reconstruction strategies.NRF (Natl Research Foundation, S’pore)MOE (Min. of Education, S’pore)NMRC (Natl Medical Research Council, S’pore)Published versio