Sonde Raman multimodale intégrée à une plateforme d'imagerie TRUS-IRM à l'aide d'un capteur électromagnétique pour améliorer le guidage des biopsies de la prostate

La substitution des chirurgies ouvertes par des procédures minimalement invasives constitue une évolution majeure de la médecine moderne. Ce progrès est rendu possible par le développement des systèmes d'imagerie servant à guider en temps réel la navigation des instruments chirurgicaux. Toutefois ces technologies, basées essentiellement sur un contraste anatomique, souffrent de limites de précision dues à la taille ou à l'hétérogénéité des lésions ciblées. Cette thèse vise à répondre à ce problème clinique, dans le cas particulier du guidage des procédures de biopsie de la prostate, grâce au contraste moléculaire que procure la spectroscopie Raman. Le premier objectif est la validation d'une preuve de concept du guidage d'une aiguille de biopsie optique, lors de son insertion dans un modèle animal in vivo. Les résultats ont montré la capacité de la sonde tomographique, basée sur la spectroscopie de réflectance diffuse, à retrouver la signature de l'hémoglobine permettant de localiser spatialement les vaisseaux sanguins. Le deuxième objectif vise à concevoir et manufacturer le nouveau prototype de sonde multimodale optimisé pour le guidage de la procédure de biopsie de la prostate. Les contraintes techniques sont majeures car elles imposent de miniaturiser, dans un diamètre inférieur à 1.3 mm, un système de spectroscopie Raman combinant les régions fingerprint (FP) et high wavenumber (HWN). Un aspect critique est également l'intégration d'un capteur Électromagnétique (EM) sur le nouveau prototype permettant son insertion dans une plateforme de guidage standard TRUS-IRM. Finalement le troisième objectif est de valider la capacité de la spectroscopie Raman à discriminer entre les tissus sains et cancéreux de la prostate. Nous démontrons pour la première fois l'utilisation et le diagnostic in situ de tissus cancéreux prostatiques sur 18 patients, avec une précision de 79%, à l'aide d'un système de spectroscopie Raman intégré à une plateforme de navigation TRUS-IRM-EM. Les résultats de cette thèse valident expérimentalement la capacité de la spectroscopie Raman à améliorer le guidage des procédures de biopsie de la prostate en détectant in situ les échantillons cancéreux.

Abstract

The transition from open to minimally invasive surgeries represents a major evolution of modern medicine. This improvement is possible thanks to the development of imaging systems, used in real time, for the surgical instruments guidance. However, these technologies, mostly based on anatomical contrast, suffer from accuracy limitations due to the size and heterogeneity of the targeted lesions. This thesis aims to answer the specific clinical problem of the prostate biopsy procedure guidance, by using the molecular contrast provided by Raman spectroscopy. The first objective is to provide a proof of concept for the guidance of an optical biopsy needle, during its insertion in an animal model experiment. The results showed the ability of the tomographic probe, based on diffuse reflectance spectroscopy, to retrieve the hemoglobin signature allowing to spatially locate blood vessels. The second objective is to design and manufacture a new multimodal prototype probe optimized for the prostate procedure biopsy guidance. The technical constraints are significant due to the requirement of miniaturizing, in a 1.3 mm diameter, a Raman spectroscopy system combining fingerprint and high wavenumber spectral regions. A critical aspect is also the Electromagnetic tracker integration on this new prototype to ensure its clean insertion in a standard TRUS-MRI navigation platform. Finally, the third objective is the validation of Raman spectroscopy to discriminate between normal and cancerous prostate tissue. We show for the first time the in situ acquisition and diagnosis of cancerous prostate tissue performed on 18 patients, with a 79% accuracy, using our Raman spectroscopy system integrated to a TRUS-MRI-EM navigation platform. The results of this thesis experimentally validate the ability of Raman spectroscopy to enhance the prostate procedure biopsy guidance thanks to an in situ detection of cancerous samples.