Development of Phase-Shifting Profilometry for 3D Brain Cavity Reconstruction and in vivo Detection of Intrinsic Fluorescence Through a Neurosurgical Microscope

Les microscopes neurochirurgicaux ont été conçus pour détecter la fluorescence produite par des tissus biologiques ; de plus, la spectroscopie optique peut être utilisée pour guider une opération chirurgicale telle que la résection d'une tumeur du cerveau. Néanmoins, les microscopes actuels n'ont pas de capacité hyperspectrale, ce qui les empêche d'évaluer quantitativement les propriétés optiques des tissus (absorption et diffusion). Ils ne peuvent utiliser ces marqueurs pour réaliser une correction d'atténuation qui permettrait d'obtenir des valeurs quantifiées de fluorescence. Une première étape importante permettant d'évaluer précisément les propriétés d'absorption et de diffusion des tissus biologiques est la détermination de la forme géométrique de l'échantillon. Cette thèse présente un système hyperspectral intégré dans un microscope neurochirurgical commercial. Un tel système est capable de réaliser deux fonctions : (a) extraire le profil 3D du cerveau ; et, (b) détecter la signature spectrale de l'auto-fluorescence des tissus du cerveau. Ce sont des développements initiaux essentiels en vue de la création de nouveaux équipements qui permettront de quantifier la fluorescence intrinsèque des tissus durant une opération chirurgicale. Ceci dans le but de détecter des anomalies sans ambiguïté. Un système d'imagerie a été développé et consiste en un Projecteur Digitale de Lumière associé avec un microscope neuro chirurgical permettant à la lumière structurée d'être projetée sur une cavité chirurgicale. La détection est réalisée en utilisant un système hyperspectral de haute sensibilité qui est également couplé avec le microscope à travers un port optique libre. La projection de lumière structurée est utilisée pour réaliser une reconstruction 3D. Elle a été évaluée en utilisant une structure de la forme d'une pyramide avec plusieurs marches, ce qui permet de déterminer l'exactitude et la précision du système de la profilométrie. L'exactitude et la précision moyennes pour toutes les reconstructions de hauteurs des marches des pyramides (de 1.5 à 30 mm) étaient respectivement de 0.3 mm et 0.6 mm. Des mesures de profilométrie à différents angles ont également été effectuées en tournant une plate-forme de ±15, 30 et 45. L'erreur de reconstruction moyenne pour tous les angles a été de 1.94 degrés (σ = 1.2 degrés). En outre, un fantôme optique de la forme d'un cerveau avec des propriétés optiques dans des échelles de valeurs physiologiques réalistes a été fabriqué. Son profil a été reconstruit avec une exactitude comparable au test avec des pyramides. Pour la détection de la fluorescence, le même système de détection a été utilisé mais le Projecteur Digitale de Lumière a été remplacé par une source bleue venant d'un microscope chirurgical. Une technique a été développée pour récupérer la fluorescence intrinsèque des tissus du cerveau et la méthode a été testée in vivo durant des opérations de résection de gliome à l'Institut et hôpital neurologique de Montréal. La méthode comprend une calibration technique pour corriger les données de fluorescence hyperspectrale dans le but d'enlever la réponse spectrale et spatiale de l'instrument d'imagerie. Ensuite, un algorithme a été développé pour corriger l'effet de l'atténuation de la lumière sur les propriétés optiques du tissu en normalisant la fluorescence avec des images de réflectance de lumière blanche dans le but de produire des données d'imagerie spécialement reliées à la fluorescence émise par les molécules du tissu. Les données préliminaires d'un cas clinique ont permis de révéler que les tissus en bonne santé ont une fluorescence avec une intensité plus grande que celle des tumeurs, hypothèse qui se retrouve également dans la littérature. En conclusion, le système d'imagerie développé comme partie intégrante de cette thèse est capable de fournir une hauteur pixel par pixel dans la cavité chirurgicale (profil 3D) et une carte de l'auto-fluorescence de la surface du cerveau.