Caméra hyperspectrale d'imagerie en fluorescence pour guider l'exérèse de tumeurs du cerveau

Les biomarqueurs ayant la capacité de s'accumuler spécifiquement dans une tumeur et d'être imagés durant la chirurgie ouvrent plusieurs avenues de traitement pour différents types de cancer. Dans le cas du cancer du cerveau, la protoporphyrine IX (PpIX) a montré une accumulation spécifique dans les gliomes de haut grade (HGG) et ce en assez grande quantité pour être facilement détectée durant la chirurgie. L'utilisation de ce marqueur durant la chirurgie a augmenté l'efficacité de l'exérèse de ces tumeurs, ce qui augmente le pronostic et la qualité de vie des patients. Cependant, les méthodes de détection qualitatives (vFI) utilisées durant la chirurgie manquent de sensibilité pour détecter les marges des tumeurs et les gliomes de bas grades, même avec l'utilisation de marqueurs fluorescents. De façon à guider plus efficacement l'exérèse, une sonde spectroscopique a été développée par le Dr. Brian Wilson de manière à détecter de façon plus sensible et plus spécifique le signal fluorescent accumulé dans les tumeurs du cerveau durant la chirurgie. Cette sonde s'est montrée plus efficace que l'utilisation seule d'un microscope neurochirurgical pour la classification de tissus cancéreux lors de l'exérèse. Cependant, une telle sonde peut venir déranger le plan de travail du chirurgien et a un champ de vue très limité. Pour ces raisons, un système en champ large pour la quantification de la fluorescence (qFI) durant la chirurgie a été développé au Darthmouth College avec le prof. Frederic Leblond. Un tel système vient se connecter au microscope neurochirurgical utilisé en salle d'opération (OR) et permet la détection hyperspectrale de l'entièreté du champ de vue imagé par le microscope. Ainsi, on peut obtenir en quelques secondes durant la chirurgie un spectre de fluorescence corrigé par rapport aux propriétés optiques du tissu pour chacun des pixels de l'image associée au champ de vue. Les spectres de fluorescence obtenus peuvent ensuite être associés à une concentration de biomarqueur dans le tissu imagé. Bien qu'un tel système se montre plus sensible que la simple utilisation d'un microscope neurochirurgical et ce sans venir déranger le plan de travail du chirurgien, sa sensibilité est moindre que celle de la sonde décrite plus haut. Ainsi, dans le cadre de cette maîtrise, un système hyperspectral pour la quantification de la fluorescence en neurochirurgie a été développé pour imager l'entièreté du champ de vue du chirurgien tout en ayant une sensibilité semblable à celle de la sonde spectroscopique présentée précédemment. Pour ce faire, le système a été conçu, développé et caractérisé à Polytechnique

Abstract

Biomarkers that are specific to malignancies and can be imaged during intraoperative procedures hold significant promises to the treatment of disease. For brain cancer, protoporphyrin IX (PpIX) has shown a specific accumulation in high grade gliomas (HGG) in sufficient concentration to be easily detected during surgery. The use of this marker during surgery has shown to improve the completeness of tumor resection, which translates to statistically significant increase in progression-free survival on patients. However, the visual assessment of fluorescence intensity (vFI) under the surgical microscope lacks sensitivity in order to detect invasive tumor margins and low grade gliomas (LGG), even with the use of specific biomarkers. In order to help surgical guidance in tumor resection, a point detection spectroscopic probe was developed by Dr. Brian Wilson in order to detect the fluorescent signal with increased sensitivity and specificity. The use of the probe during surgical procedures has shown to be more efficient than the visual assessment of the tumor, detecting histologically confirmed fluorescent signal in LGG and tumor margins where none was detected with the neurosurgical microscope. However, a point detection probe can be disruptive to the surgeon's workflow and has a limited field-of-view. For these reasons, a wide-field fluorescence quantification system (qFI) was designed at Dartmouth College with prof. Frdereic Leblond. Such a system can be connected to a side optical port of a neurosurgical microscope in order to image the entire field-of-view of the microscope. The system can acquire in a couple of seconds during surgery a fluorescence spectrum that is corrected for the tissue's optical properties for each pixel in the image associated with the surgeon's field-of-view. The corrected fluorescence spectra can be associated to a precise concentration of biomarker in order to obtain a quantitative pixel map of the surgical cavity. The Darthmouth College's qFI wide-field system proved to be more effective than the visual assessment of the tumor through the neurosurgical microscope, but was still less sensitive than the point detection probe described earlier. In this Master's project, a hyperspectral imaging system for fluorescence quantification during surgery has been designed in order to image the entire surgeon's field-of-view with a detection sensitivity similar to that of the point detection probe described earlier. To do so, the system has been designed, assembled and characterised at Polytechnique Montreal in the Laboratory of Radiology Optics in collaboration with Nüvü Camēras, a Canadian company that