Système d’imagerie optique diffuse hyperspectral intégré à une aiguille de biopsie neurochirurgicale afin d’en améliorer la sécurité

RÉSUMÉ Lorsqu’un patient a une tumeur au cerveau, la première étape consiste souvent à évaluer le grade de celle-ci grâce à des méthodes d’imagerie conventionnelles, soit l’imagerie par résonance magnétique ou le CT-scan. Un des traitements standards qui suit le diagnostic est la résection de la tumeur par chirurgie à crâne ouvert, suivi de chimiothérapie et/ou radiothérapie. Toutefois, il est parfois nécessaire, avant de se rendre à un tel extrême, de procéder à une biopsie du cerveau. Les principales indications pour une biopsie sont les lésions profondes, les tumeurs traitées seulement par radiothérapie et chimiothérapie, la présence d’une infection ou bien une santé trop fragile du patient. Cette procédure minimalement invasive a pour objectif de récolter un échantillon tumoral afin d’obtenir davantage d’informations pathologiques et d’émettre un diagnostic plus précis que ce qui est possible d’obtenir avec les techniques d’imagerie conventionnelles. Comme toute procédure chirurgicale, les biopsies aux cerveaux ont leurs limitations et leurs risques. Un des plus grands risques liés à la biopsie est l’hémorragie causée par la rupture d’un vaisseau sanguin lors de la prise d’échantillon. Dans le cadre de cette maîtrise, un système d’imagerie optique a été intégré sur une aiguille de biopsie commerciale. Ce système exploite la tomographie par optique diffuse qui est utilisée avec une nouvelle configuration. Cette configuration a été préalablement testée avec une sonde tomographique qui comporte 12 paires de fibres, une d’illumination et une de détection, sur 360°. Au bout de ces fibres se trouvent des prismes permettant l’illumination à 90° par rapport à la longueur de la sonde. Il a été démontré dans un article publié dans Optics Letters que ce design optique était apte à détecter une ou deux inclusions absorbantes de 1mm de diamètre dans un fantôme biologique composé d’Intralipide 1% comme milieu diffus et de tiges de carbone comme absorbeurs. Suite à cela, un protocole de fabrication a été élaboré afin de pouvoir intégrer ce design optique à une aiguille de biopsie commerciale. La fabrication a ensuite été faite à l’École Polytechnique, en collaboration avec Optech. Le prototype intégré comporte 18 fibres, 9 comme sources et 9 comme détecteurs, sur un arc de cercle de 200°, évitant ainsi de bloquer la fenêtre de biopsie. À la place de prismes, il utilise un seul micromiroir unique pour l’illumination et la détection perpendiculaires à l’aiguille. Le prototype a subi des tests de propagation de la lumière afin de valider l’homogénéité de l’illumination et la détection en plus de mettre en évidence certaines failles du design. Finalement, les tests de détection d’inclusions absorbantes ont été réitérés avec le prototype intégré. Il a été démontré que ce dernier, malgré que les fibres ne couvrent pas une circonférence de 360°, est apte à repérer les mêmes configurations d’inclusions que la sonde tomographique. Malgré les nombreuses étapes encore nécessaires avant l’intégration du prototype intégré en salle d’opération, l’étendue des résultats de ce mémoire montre un avenir prometteur pour cette technologie.----------ABSTRACT When a patient has a brain tumor, the first step is assessing its grade through conventional imaging methods such as MRI or CT scan. Standard treatments after diagnosis is tumor resection using open cranium surgery, followed by chemotherapy and/or radiotherapy. However, before going to such extremes, it is sometimes necessary to perform a brain needle biopsy (BNB). The main indications for BNB are deep-seated lesions, tumors treatable only with radiotherapy and chemotherapy, infections and/or patients with poor health. The goal of this minimally invasive procedure is to collect one or more tumor samples in order to obtain further pathological information and a more accurate diagnosis than what is available with conventional imaging techniques. As any surgical procedure, BNB has its risks and limitations. One of the main risks is hemorrhage due to the rupture of a blood vessel during sampling. In the scope of this Master’s project, an optical imaging system has been integrated on a commercial biopsy needle. This system utilizes diffuse optical tomography, using a new configuration. This configuration has initially been tested with a tomographic probe which comprises 12 pairs of fibers, an illumination and a detection fiber for each pair, evenly spaced around 360 °. Prisms for side illumination and detection are placed at the end of each pairs. An article published in Optics Letters has shown that the optical design was able to detect one or two absorbing inclusions of 1mm diameter in a biological phantom. This phantom was made of 1% intralipid as a diffuse medium and carbon rods as absorbers. Afterwards, a manufacturing protocol was developed in order to integrate this optical design on a commercial biopsy needle. The prototype was then manufactured at École Polytechnique in collaboration with Optech. The integrated prototype has 18 fibers, 9 as sources and 9 as detectors, on an arc of 200°. This configuration avoids occluding the sampling window of the biopsy needle. Instead of prisms, it has one single micro-mirror for side illumination. The prototype has undergone light propagation tests to validate the homogeneity of the illumination and detection and to highlight potential design limitations. Finally, the tests with the biological phantom and absorbing inclusions were replicated with the integrated prototype. It has been shown that the latter, despite the fact that the fibers do not cover 360°, is able to identify the same configurations of inclusions as the tomographic probe. Although many steps are still needed before the prototype is used in the operating room, the results shown in this thesis shows a promising future for this technology

Interstitial imaging with multiple diffusive reflectance spectroscopy projections for in vivo blood vessels detection during brain needle biopsy procedures

Blood vessel injury during image-guided brain biopsy poses a risk of hemorrhage. Approaches that reduce this risk may minimize related patient morbidity. We present here an intraoperative imaging device that has the potential to detect the brain vasculature in situ. The device uses multiple diffuse reflectance spectra acquired in an outward-viewing geometry to detect intravascular hemoglobin, enabling the construction of an optical image in the vicinity of the biopsy needle revealing the proximity to blood vessels. This optical detection system seamlessly integrates into a commercial biopsy system without disrupting the neurosurgical clinical workflow. Using diffusive brain tissue phantoms, we show that this device can detect 0.5-mm diameter absorptive carbon rods up to approximately 2 mm from the biopsy window. We also demonstrate feasibility and practicality of the technique in a clinical environment to detect brain vasculature in an in vivo model system. In situ brain vascular detection may add a layer of safety to image-guided biopsies and minimize patient morbidity