Instrumentation optique pour l'identification per-opératoire des tissus durant les chirurgies de la thyroïde

Cette thèse traite du développement d’instrumentation pour l’imagerie médicale optique. Ces travaux sont centrés sur une application particulière ; faciliter l’identification des tissus durant les chirurgies de la thyroïde et de la parathyroïde. La thyroïde est une glande située dans le cou, attachée au larynx à la hauteur de la pomme d’Adam. Elle est entourée de plusieurs structures importantes : muscles, nerfs et glandes parathyroïdes. Ces dernières contrôlent la calcémie et jouent donc un rôle essentiel dans le corps. Elles sont toutefois de petite taille et sont très difficiles à distinguer du gras et des ganglions environnants. L’objectif principal de cette thèse est de développer une instrumentation basée sur la microscopie optique pour permettre l’identification des tissus : thyroïde, parathyroïde, gras et ganglions, durant les chirurgies. Les choix sont donc faits en fonction de cette application et du contexte spécifique des mesures intra-opératoires sur des patients humains. Plusieurs modalités d’imagerie optique sont identifiées pour atteindre l’objectif : microscopie confocale en réflectance, tomographique par cohérence optique, et mesure de l’autofluorescence des glandes parathyroïdes. Dans le but d’améliorer leur compatibilité avec l’environnement clinique qui requiert stabilité dans le temps et résistance aux vibrations et aux conditions environnementales, ce projet se concentre sur les implémentations miniaturisables et basées sur des fibres optiques. Pour implémenter un système d’imagerie en fluorescence à balayage laser rapide, un système d’imagerie en fluorescence par encodage spectral est proposé. Bien que l’utilisation de l’encodage spectral semble a priori incompatible avec le contraste en fluorescence, une implémentation facile à réaliser est proposée. Une seconde version du montage, compatible avec la clinique et facilitant le développement d’un endoscope, est présentée. La preuve de principe de cette méthode est faite à 1300nm, une longueur d’onde qui n’est pas appropriée pour la fluorescence intrinsèque des parathyroïdes. Pour adresser cette lacune, une nouvelle source laser à balayage centrée à 780nm à haute puissance (100mW) est montrée. Ces développements sont compatibles avec l’implémentation de la microscopie confocale en réflectance identifiée pour l’identification des tissus durant les chirurgies de la thyroïde. Cela permet de développer un montage combinant le contraste en réflectance et en fluorescence dans le même instrument. La microscopie confocale en réflectance possède une très grande résolution permettant l’examen au niveau cellulaire des tissus. Cette technique souffre toutefois d’un faible rapport signal sur bruit et d’un bruit de tavelure important, réduisant l’interprétabilité des images.----------Abstract This thesis aims to develop optical imaging instrumentation for mouth and throat tissue identification. This work is centered on a specific application, helping the surgeons to identify parathyroid glands during thyroid and parathyroid surgery. The thyroid gland is located in the neck, attached to the larynx near the Adam’s apple cartilage. This gland is surrounded by some important structures, namely muscles, nerves and parathyroid glands. The latter play an important role in controlling the blood calcium level. These glands are very small and challenging to identify because they can macroscopically look like adipose tissue or lymph nodes. The main objective of this thesis is to develop dedicated instrumentation for intraoperative identification of neck tissue to help locate and preserve the parathyroid glands while removing the thyroid gland. A few optical imaging modalities have been proposed in literature to help regarding this difficulty. The ones we have retained are reflectance confocal microscopy (RCM), optical coherence tomography (OCT) and fluorescence imaging. In order to translate these optical imaging modalities to a clinical setting, implementations have been selected based on their potential for miniaturization and robustness to environmental conditions. These implementations are based on the use of optical fibers and fibered components. To implement a rapid method for laser scanning fluorescence imaging, a novel spectrally encoded fluorescence imaging scheme is developed. Albeit fluorescence seems incompatible with spectral encoding, the implementation suggested here is simple and yields high pixel density images at high line rates. The proof-of-principle is based on a 1300nm wavelengthswept source by imaging fluorescent quantum dots. For this system to be useful in a thyroid surgery application setting, a novel 780nm-centered high power wavelength-swept laser is developed. This source can be used to excite the intrinsic fluorescence of the parathyroid glands. This allows for the combination of a reflectance and fluorescence imaging in the same setup. Reflectance confocal microscopy is another candidate technique for intra-operative tissue identification, because it allows for high resolution cellular imaging on thick samples. However, this modality generally suffers from high speckle noise and poor signal-to-noise ratio as imaging depth increases. The use of double-clad fibers has been proposed in the literature to alleviate these issues, but signal separation is still complicated. A double-clad fiber can be used for coherent illumination of the sample through the single-mode core and high efficiency collection through the carefully designed inner cladding

Tri-modal microscope for head and neck tissue identification

A novel tri-modal microscope combining optical coherence tomography (OCT), spectrally encoded confocal microscopy (SECM) and fluorescence imaging is presented. This system aims at providing a tool for rapid identification of head and neck tissues during thyroid surgery. The development of a dual-wavelength polygon-based swept laser allows for synchronized, co-registered and simultaneous imaging with all three modalities. Further ameliorations towards miniaturization include a custom lens for optimal compromise between orthogonal imaging geometries as well as a double-clad fiber coupler for increased throughput. Image quality and co-registration is demonstrated on freshly excised swine head and neck tissue samples to illustrate the complementarity of the techniques for identifying signature cellular and structural features