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Imagerie multispectrale intraopératoire pour la détection des propriétés optiques et de la réponse hémodynamique associée à l'épilepsie

Audrey Laurence

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Epilepsy is a neurological condition characterized by seizures caused by hyperexcitability of neurons. Seizure control is mainly achieved with pharmacological treatment, which is effective in about 70% of patients. An alternative treatment to intractable epilepsy is neurosurgery, in which the area of the brain responsible for the seizures is resected. Several physiological tests and neuroimaging techniques (both structural and functional) are used to properly locate the epileptic tissue to be resected while minimizing the risk of damaging brain functions. Although there are numerous imaging techniques for preoperative planning, only a few of them can be used during surgery to verify the area to be removed or to assess the resection progress. The objective of this thesis is to develop optical imaging systems that can be used during neurosurgery to detect the area responsible for epileptic seizures. Two complementary imaging modalities were chosen for the detection of functional and structural markers specific to epilepsy: hemodynamic response imaging and Spatial Frequency Domain Imaging (SFDI). The hemodynamic response describes the changes in tissue oxygen concentration following neuronal activity. It is at the basis of functional imaging techniques, used to locate cerebral areas associated with a specific function. Studying the hemodynamic response in some abnormal activities such as epileptic seizures allows for better understanding of the involved physiological processes and could improve functional imaging techniques' accuracy. The SFDI technique, on the other hand, allows tissue optical properties imaging (absorption and reduced scattering coefficients), which can be an indicator of some tissue modifications, such as vascular or cellular structure alterations. As part of this thesis, a multispectral imaging system was developed for hemodynamic response detection at the surface of the cortex and associated with epileptic spikes, which are brief neuronal discharges. The system was calibrated, validated, and tested in 18 neurosurgeries. The first study allowed implementation of the calibration and data processing algorithms used throughout all the thesis project. The second study assessed the sensitivity of the system to distinguish the hemodynamic response of different structures, i.e. blood vessels, cortex and blood, and led to the development of numerical criteria to distinguish them. The third study measured the hemodynamic response function associated with epileptic spikes in eight patients and demonstrated that the multispectral imaging system is capable, together with electrocorticography, of measuring the hemodynamic response with good spatial and temporal resolution and high sensitivity to epilepticspikes. The study also showed the potential of the system to locate areas demonstrating hemodynamic changes associated with spikes. A second system, based on SFDI, was designed and validated on tissue fantoms samples as well as ex vivo brain and prostate samples. Results show imaging of the absorption and reduced scattering coefficients with good precision, even for non-planar samples and those with high absorption. A version of the system was also integrated in a neurosurgical microscope to facilitate use by the neurosurgeon. The work achieved in this thesis contributes to the development of intraoperative imaging tools for neurosurgery, with the final objective of improving surgical guidance and increasing knowledge about epilepsy. With continuous technological development, the next generations of optical imaging systems will provide surgeons with easy-to-use tools that have high sensitivity, specificity, and spatial resolution, and with minimal risk for the patient. This will improve the success rate of surgeries, deepen knowledge about different neurological conditions and even help in mapping brain functions.

Résumé

L'épilepsie est une condition neurologique caractérisée par des crises récurrentes, causées par une hyperexcitabilité des neurones. La principale méthode permettant de contrôler les crises est le traitement pharmacologique, qui est efficace chez environ 70% des patients. Pour les autres, un traitement alternatif possible est la neurochirurgie, visant à retirer la zone cérébrale responsable des crises. Plusieurs techniques d'imagerie structurelles et fonctionnelles sont alors utilisées pour planifier la chirurgie, afin de bien localiser le tissu à réséquer et de minimiser les risques d'atteinte aux fonctions cérébrales. Bien que les techniques d'imagerie soient nombreuses pour la planification préopératoire, peu d'entre elles peuvent être utilisées durant la chirurgie pour valider la zone à retirer ou pour évaluer la progression de la résection. L'objectif de cette thèse est de développer un système d'imagerie optique pouvant être utilisé lors de la neurochirurgie afin de détecter la zone responsable des crises d'épilepsie. Deux modalités complémentaires d'imagerie ont été choisies afin de permettre la détection de marqueurs fonctionnels et structurels spécifiques à l'épilepsie : l'imagerie de la réponse hémodynamique et l'imagerie dans le domaine des fréquences spatiales (SFDI). L'imagerie de la réponse hémodynamique mesure l'augmentation de l'apport en oxygène par les vaisseaux sanguins à la suite d'une activité neuronale. Elle est à la base de certaines techniques d'imagerie fonctionnelle, qui permettent de localiser les zones cérébrales associées à des fonctions spécifiques. L'étude de la réponse hémodynamique dans certaines activités anormales telles que les crises d'épilepsie permet de mieux comprendre les processus physiologiques impliqués et pourrait améliorer la précision des techniques d'imagerie fonctionnelle. Le SFDI, quant à lui, permet l'imagerie des propriétés optiques des tissus (coefficient d'absorption et de diffusion réduit), qui peuvent servir d'indicateurs de modifications tissulaires, comme des altérations au niveau vasculaire ou au niveau de la structure cellulaire. Dans le cadre de cette thèse, un système d'imagerie multispectrale a été développé pour la détection de la réponse hémodynamique à la surface du cortex associée aux pointes épileptiques, qui sont de brèves décharges neuronales. Le système a été calibré, validé et testé lors de 18 neurochirurgies. Une première étude a permis d'établir les algorithmes de calibration et de traitement de données sur quelques patients. Une seconde étude a permis d'évaluer la sensibilité du système à distinguer la réponse hémodynamique de différentes structures, soit les vaisseaux sanguins, le cortex et le ang et a mené à l'élaboration de critères numériques permettant de les distinguer. La troisième étude a permis la mesure de la fonction de réponse hémodynamique chez huit patients, permettant de démontrer les capacités du système d'imagerie multispectrale, conjointement à l'électrocorticographie, à mesurer la réponse avec une bonne résolution spatiale, temporelle et une grande sensibilité aux pointes épileptiques. L'étude a également montré le potentiel à localiser les zones démontrant des changements hémodynamiques associés aux pointes épileptiques. Un deuxième système, basé sur la méthode SFDI, a aussi été conçu et validé sur des échantillons (fantômes optiques et échantillons ex vivo). Les développements techniques ont permis de reconstruire les coefficients d'absorption et de diffusion réduit avec une bonne précision, même pour des échantillons non-planaires et à forte absorption. Une version du système intégrée à un microscope neurochirurgical a démontré la possibilité d'intégrer ces outils pour une utilisation facile par le chirurgien. Le travail de cette thèse s'inscrit dans le développement d'outils d'imagerie intraopératoire pour la neurochirurgie, avec l'objectif final d'améliorer le guidage chirurgical et d'aider à approfondir les connaissances sur l'épilepsie. En continuant le développement technologique, les prochaines générations de systèmes permettront de fournir aux médecins des outils faciles d'utilisation, ayant une haute sensibilité, spécificité et résolution spatiale, et comportant un risque minimal pour le patient. Ceci permettra d'améliorer le taux de succès des chirurgies, d'approfondir les connaissances sur différentes conditions neurologiques et même d'aider à la cartographie des fonctions cérébrales.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Frédéric Leblond
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10447/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 14:56
Last Modified: 07 Apr 2024 02:58
Cite in APA 7: Laurence, A. (2022). Imagerie multispectrale intraopératoire pour la détection des propriétés optiques et de la réponse hémodynamique associée à l'épilepsie [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10447/

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