Savoir différiencier les différentes types de tissus représente un aspect important lors d’interventions médicales, que ce soit pour aider au diagnostic d’une maladie ou pour le guidage chirurgical. Il est généralement très difficile de distinguer les tissus sains des tissus pathologiques à l’oeil nu et la navigation chirurgicale peut parfois être difficile dans les grands organes où la structure ciblé se trouve enfouie profondément. De nouvelles méthodes susceptibles d’accroître la réussite de telles interventions médicales suscitent actuellement de l’intérêt chez les professionnels de la santé. La spectroscopie optique, en analysant les interactions lumière-tissu dans une plage spectrale définie, est un outil permettant de différencier les tissus avec une résolution et une sensibilité bien supérieures à celles de l’oeil humain. Tout au long de cette thèse, je détaillerai comment la spectroscopie optique a été utilisée pour créer et améliorer un système de guidage optique utilisé pour la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie, en particulier pour le traitement de la maladie de Parkinson. Pour commencer, je montrerai comment les informations spectroscopiques peuvent fournir une rétroaction peropératoire en temps réel à un neurochirurgien, au cours de la phase d’implantation de la procédure, avec une sonde qui n’induit aucune invasion supplémentaire. Je présenterai l’investigation de deux modalités spectroscopiques différentes pour la discrimination tissulaire pour le guidage, soit la spectroscopie à réflectance diffuse et la spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente. Les avantages et les inconvénients des deux techniques, ainsi que leurs aptitude à la traduction prometteuse pour cette application seront abordés. Par la suite, je présenterai une nouvelle technique d’analyse de données pour extraire l’oxygénation des tissus à partir de spectres de réflectance diffus dans le but d’améliorer la précision de mesure en spectroscopie rétinienne et ultimement de porter un diagnostique. Bien que conçu pour la rétine, l’algorithme peut également être utilisé pour analyser les spectres acquis lors d’une neurochirurgie afin de fournir des informations à la fois discriminantes et diagnostiques. Finalement, je montrerai des preuves de diffusion anisotrope de la lumière dans les axones myélinisés de la moelle épinière et discuterai des conséquences que cela pourrait avoir sur les simulations actuelles de la propagation des photons dans le cerveau, qui feront partie intégrante d’un guidage optique efficace.Differentiating tissue types is an important aspect of guiding medical interventions whether it be for disease diagnosis or for surgical guidance. However, diseased and healthy tissues are often hard to discriminate by human vision alone and surgical navigation can be difficult to accomplish in large organs where the target structure lies deep within the body. New methods that can increase certainty in such medical interventions are therefore of great interest to healthcare professionals. Optical spectroscopy is a tool which can be exploited to probe discriminatory information in tissue by analyzing light-tissue interactions with a spectral range, resolution and sensitivity much greater than the human eye. Throughout this thesis, I will explain how I have leveraged optical spectroscopy to create, and improve, an optical guidance system for deep brain stimulation neurosurgery, specifically for the treatment of Parkinson’s disease. I will begin by describing how spectroscopic information can provide real-time feedback to a surgeon during the procedure, in the hopes of ultimately improving treatment outcome. To this end, I will present the investigation of two different spectroscopic modalities for optical guidance: diffuse reflectance spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The advantages and disadvantages of both techniques will be discussed along with their promising translatability for this application. Following this, I will present a novel data analysis technique for extracting the tissue oxygenation from diffuse reflectance spectra with the aim of improved diagnostic information in retinal spectroscopy. While designed for the retina, the algorithm can also be used to analyze spectra acquired during a neurosurgery to provide both discriminatory and diagnostic information. Lastly, I will show evidence of anisotropic light scattering in the myelinated axons of the spinal cord and discuss the implications this may have on current photon propagation simulations in the brain, which will be integral for effective optical guidance
