Advancements in Multimodal Endoscopic Optical Coherence Tomography: Novel Hardware, Software, and Optical Strategies

Le cancer de l'oesophage (CO) est une maladie dangereuse, principalement en raison de sa nature asymptomatique jusqu'à un stade avancé de son développement. Actuellement, la vidéo-endoscopie en lumière blanche combinée à des biopsies aléatoires constituent l'étalon-or pour la détection du CO. Cependant, ces méthodes sont invasives, manquent de sensibilité et ne sont pas rentables. La tomographie par cohérence optique (OCT) est une technique interférométrique qui permet d'obtenir une imagerie 3D de tissus biologiques en haute résolution et en profondeur. Son implémentation endoscopique est très prometteuse pour la détection précoce des CO. Cependant, à ce jour, l'OCT endoscopique n'a jamais atteint les performances requises pour remplacer complètement les protocoles standard de vidéo-endoscopie et biopsies aléatoires. Dans cette thèse doctorale, nous émettons l'hypothèse que la combinaison de l'OCT à des techniques d'imagerie spectroscopique, offrant un sensibilité accrue à la composition moléculaire des échantillons biologiques, pourrait améliorer le pouvoir diagnostique pour la détection précoce du cancer de l'oesophage. Nous présentons tout d'abord une analyse critique de la littérature qui expose le principe de fonctionnement fondamental de l'OCT et de l'imagerie spectroscopique. Nous examinons ensuite les méthodes existantes pour augmenter le contraste de l'OCT, par le biais d'extensions fonctionnelles ou de combinaisons avec d'autres techniques et nous étudions leur compatibilité avec le format endoscopique. Nous présentons la fibre à double gaine (DCF) et les coupleurs de fibre à double gaine (DCFC), des technologies permettant le développement de systèmes multimodaux. De plus, ces technologies fibrées ont un haut potential de miniaturisation et pourraient être adaptées dans des sondes endoscopiques. La fibre DCF possède un coeur monomode (SM) et une gaine interne multimode (MM) qui peuvent chacun transporter un signal optique. L'on peut accéder à ces deux canaux efficacement par le biais d'un DCFC, qui permet de combiner ou séparer les signaux. Dans les systèmes OCT multimodaux à base de DCFC, l'imagerie OCT est réalisée par le coeur tandis que l'imagerie avec la modalité supplémentaire est réalisée pas la gaine interne. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons trois systèmes qui combinent l'OCT avec différentes variantes de l'imagerie spectroscopique, en utilisant de la DCF et des DCFC. Ces systèmes sont progressivement de plus en plus compatibles avec l'imagerie dans un milieu clinique.

Abstract

Esophageal cancer (EC) is a deadly disease, primarily because of its asymptomatic nature until advanced stages in its development. Currently, white light video-endoscopy combined with random biopsies is the gold standard for the detection of EC. However, such methods are invasive and lack sensitivity and cost-effectiveness. Optical coherence tomography (OCT) is an interferometric technique that allows depth-resolved, high-resolution 3D imaging of biological tissue. Its endoscopic implementation for esophageal imaging has shown great promise for the early detection of EC but has, to this day, always fallen short of the required performance to replace video-endoscopy and biopsies outright. We hypothesize that combining OCT with spectroscopic imaging techniques that provide enhanced sensitivity to the molecular composition may enhance diagnostic performance for early esophageal cancer detection. We first present a critical literature review that outlines the fundamental operating principle of OCT and spectroscopic imaging. We delve into existing methods for expanding OCT contrast through functional extensions or combinations with other techniques and consider their compatibility with endoscopic applications. We present double-clad fiber (DCF) and double-clad fiber couplers (DCFC) as viable candidates for developing fiber-based multimodal systems with the potential for miniaturization into endoscopic devices. DCF possesses a single-mode (SM) core and a multimode (MM) inner-cladding that can each transport complementary optical signals. These two channels may be efficiently accessed through a DCFC, which can combine or separate the signals. In DCF-based multimodal OCT systems, OCT is carried out through the fiber core and the additional modality through the inner cladding. In the first part of this thesis, we present three systems that combine OCT with different implementations of spectroscopic imaging, using DCF and DCFCs and with progressive levels of compatibility with clinical imaging. The first system combines OCT with hyperspectral imaging (HSI) by utilizing an external broadband source to illuminate the sample and collecting the reflected signal through the inner cladding for spectroscopic analysis. This system was the first demonstration of combined OCT and HSI through a single fiber. However, this implementation suffered from low imaging speed and low lateral resolution for HSI. In the second system, we used multiple single-wavelength lasers to perform multispectral imaging (MSI).