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

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 was