Development of an Endonasal Raman Spectroscopy Probe for Transsphenoidal Pituitary Adenoma Surgery

La résection chirurgicale est une des principales options de traitement des tumeurs para-sellaires, notamment des adénomes hypophysaires situés à la base du crâne. La chirurgie transsphénoïdale endoscopique permet l’ablation des tumeurs par les cavités nasales, grâce à une visualisation endoscopique et à des instruments spécialisés. Identifier et délimiter les tumeurs avec précision est un défi majeur, mais essentiel, l’objectif étant d’obtenir une résection complète tout en limitant les dommages aux structures normales avoisinantes. Les techniques d’imagerie préopératoire, telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), permettent de visualiser les tumeurs. Néanmoins, il n’existe actuellement aucune technologie péropératoire largement accessible permettant un diagnostic en temps réel des adénomes hypophysaires en dehors des cadres de recherche. Cette thèse vise à développer une technique de diagnostic peropératoire pour aider les chirurgiens à effectuer une résection sécuritaire et efficace des adénomes hypophysaires et autres tumeurs dans cette zone complexe. La solution proposée est une sonde de Spectroscopie Raman (RS), conçue pour s’intégrer aux protocoles opératoires actuels de la chirurgie transsphénoïdale, permettant ainsi l’analyse en temps réel des structures anatomiques de la région parasellaire, incluant les adénomes. La sonde endonasale RS a été conçue pour permettre une interrogation pratique, sécuritaire et minimalement invasive des tissus. Avant son déploiement clinique, la sonde a été évaluée dans une étude animale impliquant six têtes d’agneaux et 274 mesures spectroscopiques in situ sur des structures parasellaires. Des modèles d’apprentissage automatique binaires ont été entraînés, validés et testés pour discriminer la glande hypophysaire des autres structures, évaluant ainsi la capacité de la sonde à distinguer la glande de tissus moléculairement distincts. De plus, un modèle multi-classe a été développé pour différencier quatre structures, démontrant son potentiel pour la guidance chirurgicale. Tous les modèles ont atteint une sensibilité et une spécificité de 100 % sur des mesures de structures provenant d’individus non inclus dans les données d’entraînement. Afin de préparer l’application clinique, des améliorations ont été apportées au système RS, notamment le développement d’un nouveau module de contrôle laser avec son interface utilisateur dédiée. Une expérience a été menée pour évaluer et minimiser l’impact de la lumière blanche endoscopique sur les mesures de la sonde.

Abstract

Surgical resection is a primary therapeutic option for parasellar tumors, including pituitary adenomas, located at the skull base. Endoscopic transsphenoidal surgery allows for tumor removal through the nasal cavities using endoscopic visualization and specialized instruments. Accurate identification and delineation of the tumor is challenging yet crucial, as the objective is to achieve gross total resection while minimizing damage to surrounding normal structures. Although preoperative imaging techniques, such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), enable tumor visualization, no widely available intraoperative technique currently provides real-time pituitary adenoma diagnosis beyond the point of research development. The thesis aims to develop an intraoperative diagnosis technique to assist surgeons in the safe and effective resection of pituitary adenomas and other tumors in this critical area. The proposed solution is a Raman Spectroscopy (RS) probe that can be integrated with current transsphenoidal surgery workflows, enabling real-time interrogation of parasellar anatomical structures, including adenomas. The endonasal RS probe was designed to enable practical, safe, and minimally invasive tissue interrogation. Before clinical deployment, the probe was evaluated in an animal study in-volving six lamb heads and 274 in situ spectroscopic measurements of parasellar structures. Binary machine learning models were trained, validated, and tested to discriminate the pi-tuitary gland from all other structures, assessing the probe’s ability to distinguish the gland from molecularly distinct tissues. Additionally, a multiclass model was developed to differ-entiate between four structures, demonstrating the potential for safe surgical guidance. All models achieved 100% sensitivity and specificity on structures from individuals not included in the training data. To prepare for clinical application, improvements were made to the RS system, including the development of a new laser control module with its designated user interface. An ex-periment was conducted to evaluate and minimize the impact of the endoscopic white light on the probe’s measurements. Short-pass filtering effectively reduced light interference by multiple orders of magnitude, bringing it to levels comparable to typical noise; however, the prototype’s compatibility with surgical systems remains an issue. A clinical study was initiated, supported by an ethics protocol including acquisition protocols designed for rapid, safe, and efficient data collection in operating rooms. RS measurements were acquired during height transsphenoidal tumor resections. Initial spectral analysis re-vealed distinct Raman signatures and fluorescence variations across tissue types.