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Instrumentation optique pour l'identification per-opératoire des tissus durant les chirurgies de la thyroïde

Etienne De Montigny

Ph.D. thesis (2016)

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Abstract

This thesis aims to develop optical imaging instrumentation for mouth and throat tissueidentification. This work is centered on a specific application, helping the surgeons to identifyparathyroid glands during thyroid and parathyroid surgery. The thyroid gland is located inthe neck, attached to the larynx near the Adam's apple cartilage. This gland is surroundedby some important structures, namely muscles, nerves and parathyroid glands. The latterplay an important role in controlling the blood calcium level. These glands are very small andchallenging to identify because they can macroscopically look like adipose tissue or lymphnodes. The main objective of this thesis is to develop dedicated instrumentation for intraoperativeidentification of neck tissue to help locate and preserve the parathyroid glandswhile removing the thyroid gland.A few optical imaging modalities have been proposed in literature to help regarding thisdifficulty. The ones we have retained are reflectance confocal microscopy (RCM), opticalcoherence tomography (OCT) and fluorescence imaging. In order to translate these opticalimaging modalities to a clinical setting, implementations have been selected based on theirpotential for miniaturization and robustness to environmental conditions. These implementationsare based on the use of optical fibers and fibered components.To implement a rapid method for laser scanning fluorescence imaging, a novel spectrallyencoded fluorescence imaging scheme is developed. Albeit fluorescence seems incompatiblewith spectral encoding, the implementation suggested here is simple and yields high pixeldensity images at high line rates. The proof-of-principle is based on a 1300nm wavelengthsweptsource by imaging fluorescent quantum dots. For this system to be useful in a thyroidsurgery application setting, a novel 780nm-centered high power wavelength-swept laser isdeveloped. This source can be used to excite the intrinsic fluorescence of the parathyroidglands. This allows for the combination of a reflectance and fluorescence imaging in the samesetup.Reflectance confocal microscopy is another candidate technique for intra-operative tissueidentification, because it allows for high resolution cellular imaging on thick samples. However,this modality generally suffers from high speckle noise and poor signal-to-noise ratioas imaging depth increases. The use of double-clad fibers has been proposed in the literatureto alleviate these issues, but signal separation is still complicated. A double-clad fibercan be used for coherent illumination of the sample through the single-mode core and highefficiency collection through the carefully designed inner cladding.

Résumé

Cette thèse traite du développement d'instrumentation pour l'imagerie médicale optique. Cestravaux sont centrés sur une application particulière ; faciliter l'identification des tissus durantles chirurgies de la thyroïde et de la parathyroïde. La thyroïde est une glande située dans lecou, attachée au larynx à la hauteur de la pomme d'Adam. Elle est entourée de plusieursstructures importantes : muscles, nerfs et glandes parathyroïdes. Ces dernières contrôlent lacalcémie et jouent donc un rôle essentiel dans le corps. Elles sont toutefois de petite tailleet sont très difficiles à distinguer du gras et des ganglions environnants. L'objectif principalde cette thèse est de développer une instrumentation basée sur la microscopie optique pourpermettre l'identification des tissus : thyroïde, parathyroïde, gras et ganglions, durant leschirurgies. Les choix sont donc faits en fonction de cette application et du contexte spécifiquedes mesures intra-opératoires sur des patients humains.Plusieurs modalités d'imagerie optique sont identifiées pour atteindre l'objectif : microscopieconfocale en réflectance, tomographique par cohérence optique, et mesure de l'autofluorescencedes glandes parathyroïdes. Dans le but d'améliorer leur compatibilité avec l'environnementclinique qui requiert stabilité dans le temps et résistance aux vibrations et auxconditions environnementales, ce projet se concentre sur les implémentations miniaturisableset basées sur des fibres optiques.Pour implémenter un système d'imagerie en fluorescence à balayage laser rapide, un systèmed'imagerie en fluorescence par encodage spectral est proposé. Bien que l'utilisation del'encodage spectral semble a priori incompatible avec le contraste en fluorescence, une implémentationfacile à réaliser est proposée. Une seconde version du montage, compatible avec laclinique et facilitant le développement d'un endoscope, est présentée. La preuve de principede cette méthode est faite à 1300nm, une longueur d'onde qui n'est pas appropriée pour lafluorescence intrinsèque des parathyroïdes. Pour adresser cette lacune, une nouvelle sourcelaser à balayage centrée à 780nm à haute puissance (100mW) est montrée. Ces développementssont compatibles avec l'implémentation de la microscopie confocale en réflectanceidentifiée pour l'identification des tissus durant les chirurgies de la thyroïde. Cela permet dedévelopper un montage combinant le contraste en réflectance et en fluorescence dans le mêmeinstrument.La microscopie confocale en réflectance possède une très grande résolution permettant l'examenau niveau cellulaire des tissus. Cette technique souffre toutefois d'un faible rapportsignal sur bruit et d'un bruit de tavelure important, réduisant l'interprétabilité des images.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Caroline Boudoux
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2268/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 21 Mar 2017 11:24
Last Modified: 12 Nov 2022 07:52
Cite in APA 7: De Montigny, E. (2016). Instrumentation optique pour l'identification per-opératoire des tissus durant les chirurgies de la thyroïde [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2268/

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