A multimodal two-photon fluorescence endomicroscope and its associated tissue database to discriminate brain tumors intraoperatively
Institution:
Université de Paris (2019-....)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Standard of care in brain tumors management primarily consists of achieving a maximal safe resection, by removing all cancerous zones while preserving healthy eloquent adjacent brain areas. Consequently, the accurate delimitation of the tumor margins as well as the infiltrated areas that surrounds the tumor mass is a major challenge for the neurosurgeon. To date, the techniques that have been proposed are not able to delineate, with high accuracy, the tumor margins nor the infiltrating areas. The gold standard used method that discriminates normal from cancerous tissues with high reliability is the histopathological analysis of biopsied samples. This ex-vivo post-surgical analysis requires several days to provide a definite diagnosis response, a time delay that could be fatal for the patient. To address this problem, an intraoperative imaging tool that fill in the gaps of the actually used techniques has been proposed. This tool, a multimodal fibered endomicroscope, will be able to provide a real-time and precise diagnosis information intraoperatively on the tissues nature without excision, and will offer a strong assistance to the neurosurgeon. The development of this two-photon fluorescence endomicroscope is presented in this thesis. This endomicroscope is able to acquire the endogenous fluorescence signal of brain tissues as well as the second harmonic generation signal. These two signals will be analyzed through quantitative methods, such as spectroscopic analysis and fluorescence lifetime analysis, and through qualitative methods that derives from the two imaging contrasts, which will provide an information on the structure and the metabolic state of the imaged tissue. As a part of the instrumental development of this tool, dedicated to intraoperative use, a miniature imaging probe head has been developed and presented in this thesis. In parallel with the endomicroscope instrumental development, the construction of a tissue database based on the endogenous fluorescence signal of brain tissues has been established. As a part of the tissue database construction, in this thesis, different types of brain tissues, healthy and tumors, were analyzed in order to establish a specific multimodal optical signature to each tissue type. Relying on this database the endomicroscope will be able to establish a real time and a reliable diagnosis response, and thus, to guide the neurosurgeon during the surgical procedure.
Abstract FR:
La procédure standard dans le traitement des tumeurs cérébrales consiste à réaliser une résection maximale des zones cancéreuses tout en préservant les régions éloquentes saines adjacentes du cerveau. Par conséquent, l’identification précise des berges de la tumeur ainsi que les zones infiltrées entourant, constitue un défi majeur pour le neurochirurgien. À ce jour, les techniques proposées ne sont pas capables de délimiter, avec une haute précision, les berges de la tumeur ni l’infiltration des cellules cancéreuse dans le tissu sain. La méthode de diagnostic utilisée pour discriminer précisément les tissus sains des tissus cancéreux avec une grande fiabilité est l’analyse histologique des biopsies. Cette analyse post-chirurgicale ex-vivo requiert plusieurs jours avant de fournir une réponse définitive. Un délai qui peut s’avérer fatal pour le patient. Pour répondre à cette problématique, un outil d'imagerie peropératoire qui comble les lacunes des techniques utilisées actuellement a été proposé. Cet outil, un endomicroscope multimodal fibré, fournira une information de diagnostic précise et instantanée sur les tissus sans excision, en per opératoire, et sera une vraie assistance pour le neurochirurgien pendant l’exérèse tumorale. Le développement de cet endomicroscope de fluorescence sous excitation biphotonique est présenté dans cette thèse. Cet endomicroscope permettra la détection de la fluorescence endogène des tissus cérébraux ainsi que la génération de la seconde harmonique. Ces signaux seront analysés par des méthodes quantitatives tel que l’analyse spectroscopique et l’analyse de la durée de vie de la fluorescence et des méthodes qualitative d’imagerie, donnant ainsi des informations sur la structure et l’état métabolique du tissu observé. Dans le cadre du développement instrumental de cet outil, visant une utilisation peropératoire, une sonde d’imagerie miniature a été développé et présentée dans cette thèse. Parallèlement au développement instrumental de cet endomicroscope, la construction d’une banque de données tissulaire basée sur le signal de fluorescence endogène des tissus cérébraux a été établi. Dans le cadre de la construction de cette banque tissulaire, dans cette thèse, différents types de tissus cérébraux, sains et tumorales, ont été analysé afin d’établir une signature optique spécifique à chaque nature tissulaire. Grâce à cette banque, l’endomicroscope sera capable d’établir une réponse diagnostic sur le tissu examiné en temps réel et d’une façon fiable, guidant ainsi le chirurgien dans son geste opératoire.