Real-Time OCT Surveillance of Laser Therapy Through Speckle Decorrelation

La thérapie laser est une technique exploitant les interactions entre la lumière et les tissues biologiques pour traiter des maladies. Par exemple, il est possible d'utiliser l'énergie des photons pour chauffer et ainsi causer une coagulation du tissue dans le but de détruire un cancer qui y serait présent. C'est notamment ce qui est fait dans le cas de l'oesophage de Barrett, un précurseur du cancer de l'oesophage. Le problème de ces thérapies est qu'il est très difficile de connaître la profondeur de la coagulation causée par le traitement. Puisque les résultats de ces thérapies sont très peu reproductibles, il existe des risques de surexposition ou de sous-exposition. Une surexposition peut avoir des conséquences diverses incluant des complications necessitant une chirurgie alors que pour une sous-exposition, le traitement devra être répété, impliquant plusieurs chirurgies. Pour répondre à cette problématique, plusieurs techniques capables d'identifier la coagulation des tissues ont été développées. Par exemple, la tomographie par cohérence optique (Optical Coherence Tomography ou OCT) est une technique d'imagerie non invasive permettant d'imager la structure des tissues biologiques sur quelques millimètres de profondeur avec une résolution aux alentours de 1-15 micromètres. Elle est d'ailleurs utilisée dans le diagnostic de l'oesophage de Barrett. Elle est aussi capable d'observer plusieurs changements dans le tissue lorsque celui-ci coagule. En l'occurence, le bruit de tavelure ou «speckle pattern» visible à l'OCT subit un changement dans le temps durant la coagulation du tissue avant de se stabiliser une fois que la coagulation est complétée. Ce changement peut être utilisé pour suivre la coagulation du tissue. Pour y parvenir, un coupleur à double gaine (DCFC, de l'anglais Double-Clad Fiber Coupler) a été utilisé pour combiner l'imagerie OCT et le traitement laser au sein d'une seule fibre à double gaine (DCF, de l'anglais Double-Clad Fiber) garantissant la superposition des deux modalités. Un système a été bâti dans le but de permettre l'imagerie OCT et la thérapie laser par coagulation thermique simultanément. La corrélation de second-ordre a été utilisée sur l'image OCT pour quantifier le changement du patron de tavelure. Grâce à ce système, il est possible de contrôler la profondeur du traitement laser avec un arrêt automatique lorsque cette profondeur est atteinte. Notre technique a été appliquée avec succès en temps réel à des muscles de rat ex-vivo et nos résultats ont été confirmés par histologie.

Abstract

Laser therapy is a technique exploiting interaction between light and biological tissues for the treatment of illnesses. One of its variations is thermal coagulation where the energy of the light is used to heat up the tissue and cause thermal coagulation in order to kill cancerous cells. Among other applications, it is used in the treatment of the Barrett's esophagus, a potential precursor to esophageal cancer. The challenge of such a therapy is controlling the depth of the induced thermal coagulation. There is a risk of either overexposing or underexposing the tissue to laser light. In the former case, we cause more damage than necessary; in the latter case, we miss the targeted pathology, given it a chance to persist. Because of this issue, several coagulation-monitoring methods have been proposed. A few of those techniques are based on optical coherence tomography (OCT), a non-invasive optical technique capable of imaging tissue structures with a typical depth of field of a few millimeters and a depth resolution ranging from 1 to 15 microns. This allows for the observation of changes during the coagulation process. Among those changes, is the variation of speckle pattern as the tissue is heated, before stabilizing once the tissue is fully coagulated. OCT has also been proposed as a diagnostic tool for Barrett's esophagus, making it an ideal candidate to perform both identification of the lesion and monitoring of the treatment. The variation of the speckle pattern has already been suggested to monitor the progression of coagulation, but, to our knowledge, it was never demonstrated in real time. Two issues remain. First, the ability to concurrently obtain images and apply the laser therapy, and second, a computational tool which calculates speckle decorrelation in real time. To accomplish the first challenge, a double-clad fiber coupler (DCFC) was used to combine both OCT imaging and laser therapy through a single double-clad fiber (DCF) for co-registered imaging and therapy. In parallel, the second-order correlation function was used to quantify the change in speckle pattern and allow rapid monitoring of the coagulation. Our system allows for controlled thermal coagulation depth with the automatic stop of the therapy laser. It was tested on rat muscle in real time with results confirmed by histology. The algorithm we developed includes noise and motion correction. During coagulation, the attenuation coefficient of the treated tissue increases, attenuating more light, thus lowering the signal-to-noise ratio (SNR) with depth. The noise correction allows for the continuous monitoring at those depths, despite the low SNR. Further correction was necessary as in-vivo monitoring involves motion, either induced by the breathing patient, the operator or the device itself.