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 ete concus pour detecter la fluorescence produite par des tissus biologiques ; de plus, la spectroscopie optique peut etre utilisee pour guider une operation chirurgicale telle que la resection d’une tumeur du cerveau. Neanmoins, les microscopes actuels n’ont pas de capacite hyperspectrale, ce qui les empeche d’evaluer quantitativement les proprietes optiques des tissus (absorption et diffusion). Ils ne peuvent utiliser ces marqueurs pour realiser une correction d’attenuation qui permettrait d’obtenir des valeurs quantifiees de fluorescence. Une premiere etape importante permettant d’evaluer precisement les proprietes d’absorption et de diffusion des tissus biologiques est la determination de la forme geometrique de l’echantillon. Cette these presente un systeme hyperspectral integre dans un microscope neurochirurgical commercial. Un tel systeme est capable de realiser deux fonctions : (a) extraire le profil 3D du cerveau ; et, (b) detecter la signature spectrale de l’auto-fluorescence des tissus du cerveau. Ce sont des developpements initiaux essentiels en vue de la creation de nouveaux equipements qui permettront de quantifier la fluorescence intrinseque des tissus durant une operation chirurgicale. Ceci dans le but de detecter des anomalies sans ambiguite. Un systeme d’imagerie a ete developpe et consiste en un Projecteur Digitale de Lumiere associe avec un microscope neuro chirurgical permettant a la lumiere structuree d’etre projetee sur une cavite chirurgicale. La detection est realisee en utilisant un systeme hyperspectral de haute sensibilite qui est egalement couple avec le microscope a travers un port optique libre. La projection de lumiere structuree est utilisee pour realiser une reconstruction 3D. Elle a ete evaluee en utilisant une structure de la forme d’une pyramide avec plusieurs marches, ce qui permet de determiner l'exactitude et la precision du systeme de la profilometrie. L'exactitude et la precision moyennes pour toutes les reconstructions de hauteurs des marches des pyramides (de 1.5 a 30 mm) etaient respectivement de 0.3 mm et 0.6 mm. Des mesures de profilometrie a differents angles ont egalement ete effectuees en tournant une plate-forme de ±15, 30 et 45. L’erreur de reconstruction moyenne pour tous les angles a ete de 1.94 degres (σ = 1.2 degres). En outre, un fantome optique de la forme d’un cerveau avec des proprietes optiques dans des echelles de valeurs physiologiques realistes a ete fabrique. Son profil a ete reconstruit avec une exactitude comparable au test avec des pyramides. Pour la detection de la fluorescence, le meme systeme de detection a ete utilise mais le Projecteur Digitale de Lumiere a ete remplace par une source bleue venant d’un microscope chirurgical. Une technique a ete developpee pour recuperer la fluorescence intrinseque des tissus du cerveau et la methode a ete testee in vivo durant des operations de resection de gliome a l'Institut et hopital neurologique de Montreal. La methode comprend une calibration technique pour corriger les donnees de fluorescence hyperspectrale dans le but d’enlever la reponse spectrale et spatiale de l’instrument d’imagerie. Ensuite, un algorithme a ete developpe pour corriger l’effet de l’attenuation de la lumiere sur les proprietes optiques du tissu en normalisant la fluorescence avec des images de reflectance de lumiere blanche dans le but de produire des donnees d’imagerie specialement reliees a la fluorescence emise par les molecules du tissu. Les donnees preliminaires d’un cas clinique ont permis de reveler que les tissus en bonne sante ont une fluorescence avec une intensite plus grande que celle des tumeurs, hypothese qui se retrouve egalement dans la litterature. En conclusion, le systeme d’imagerie developpe comme partie integrante de cette these est capable de fournir une hauteur pixel par pixel dans la cavite chirurgicale (profil 3D) et une carte de l’auto-fluorescence de la surface du cerveau.----------ABSTRACT Neurosurgery microscopes have been developed to detect fluorescence associated with biological tissue; in addition, optical spectroscopy can be used to guide surgical procedures including the resection of brain tumors. However, current microscopes do not have hyperspectral capabilities, which prevents these systems from quantitatively evaluating tissue optical properties (absorption and scattering) and use these values to implement an attenuation correction leading to quantified values of fluorescence. An important first step allowing to accurately assessing the absorption and scattering properties of biological tissue is the determination of the geometric shape of the sample. Here we present a hyperspectral system integrated onto a commercial neurosurgical microscope that is capable of supporting two functionalities: (a) extracting the 3D profile of the brain, and (b) detecting the spectral signature of brain tissue autofluorescence. These functionalities represent critical initial advancements towards the development of new devices that will be able to quantify intrinsic tissue fluorescence during surgical procedures in order to unambiguously detect abnormalities. An imaging system was developed that consists of a Digital Light Projector coupled to a neurosurgical microscope allowing structured light to be projected on the surgical cavity. Detection is achieved using a high sensitivity hyperspectral system also coupled to the microscope through a free optical port. The projection of structured light is used to perform a 3D reconstruction, which was evaluated using a phantom in the shape of a pyramid with multiple steps allowing determining the accuracy and precision of the profilometry system. The average accuracy and precision for all reconstructions of pyramid step heights (from 1.5 to 30 mm) was 0.3 mm and 0.6 mm, respectively. Profilometry measurements at different angles were also acquired by rotating a platform by ±15, 30 and 45. The mean reconstruction error for all angles was 1.94 (STD = 1.2). Additionally, a brain-shaped phantom with optical properties within the range of realistic physiological values was fabricated and its profile was reconstructed with accuracies comparable with the pyramid step phantom. For fluorescence detection, the same detection system was used but the Digital Light Projector was replaced with the wide-field blue source from a fluorescence neurosurgical microscope. A technique was developed to recover intrinsic brain tissue fluorescence and the method was tested in vivo during glioma resection procedures at the Montreal Neurological Institute and Hospital. The method includes a calibration technique to correct hyperspectral fluorescence data in order to remove the spectral and spatial response of the imaging instrument. Then, an algorithm was developed to correct for the light attenuation effect of tissue optical properties by normalizing the fluorescence with white light reflectance images with the objective to produce imaging data specifically related to fluorescence emitted by tissue molecules. Preliminary data from a clinical case suggested that healthy tissue has higher fluorescence intensity than tumor, which is in line with the literature. In conclusion, the imaging system developed as part of this thesis is able to provide pixel-by-pixel heights within the surgical cavity (3D profile) and autofluorescence maps of the brain surface.

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