tomographie par cohérence optique pour le guidage de chirurgies

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
TOMOGRAPHIE PAR COHÉRENCE OPTIQUE POUR LE GUIDAGE DE
CHIRURGIES MINIMALEMENT INVASIVES DU RACHIS
KATHY BEAUDETTE
INSTITUT DE GÉNIE BIOMÉDICAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE BIOMÉDICAL)
JUIN 2012
© Kathy Beaudette, 2012.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
TOMOGRAPHIE PAR COHÉRENCE OPTIQUE POUR LE GUIDAGE DE
CHIRURGIES MINIMALEMENT INVASIVES DU RACHIS
présenté par :
en vue de l’obtention du diplôme de :
BEAUDETTE Kathy
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
Maîtrise ès sciences appliquées
Mme CHERIET Farida
Mme
, Ph. D., présidente
BOUDOUX Caroline
M.
, Ph. D., membre et directrice de recherche
AUBIN Carl-Éric
M.
, Ph. D., membre et codirecteur de recherche
COSTANTINO Santiago, Ph.D., membre

iii
REMERCIEMENTS
Ces travaux de maîtrise n’auraient pu être menés à terme sans l’aide précieuse des
différentes personnes qui m’ont entourée tout au long de ce projet.
D’abord, je veux remercier très sincèrement ma directrice de recherche (et mentor),
Professeure Caroline Boudoux, pour sa disponibilité, son soutien et ses conseils. Elle m’a permis
de développer mes capacités scientifiques en plus de mes habiletés personnelles et relationnelles.
Et, surtout, je la remercie de m’avoir appris à voir plus loin… Je voudrais également souligner
l’aide constante que j’ai reçue de la part de mon co-directeur, Professeur Carl-Éric Aubin. De par
son encadrement, il a su repousser toujours plus loin mes limites et, ainsi, me permettre de me
développer en tant que chercheure. Tous deux ont su me transmettre leur rigueur scientifique en
plus de leur passion inégalable pour la science et le génie. Je les remercie de leur aide et leur
confiance tout au long de ma maîtrise ainsi que de leur soutien inconditionnel dans la réalisation
de mes projets futurs.
Différentes personnes associées au Centre de recherche du CHU Sainte-Justine ont
également contribué à ce projet. D’abord, je remercie le Dr Stefan Parent pour sa contribution
pour tout ce qui a trait aux aspects médicaux de mon projet et pour ses nombreux conseils. Il m’a
également accordé de son précieux temps lors des essais in vivo. Un grand merci également à
Souad Rhalmi, coordonnatrice des activités de l’Unité de chirurgie expérimentale, pour son aide
inestimable dans le cadre des essais in vivo.
Je tiens également à remercier Mark Driscoll, ancien doctorant du laboratoire du Prof.
Carl-Éric Aubin, qui m’a assistée lors de mon premier stage et tout au long de la suite du projet.
Je veux aussi souligner l’aide précieuse reçue de la part de Mathias Strupler et Lionel Carrion,
postdoctorant et ancien associé de recherche du LODI respectivement, qui ont passé beaucoup de
temps avec moi à mes débuts afin de m’initier à l’OCT, au design sur Zemax et à l’optique en
général. Je veux aussi remercier Professeur Romain Maciejko qui m’a permis d’utiliser les
ressources de son laboratoire. J’en profite également pour souligner l’aide reçue de la part de tous
mes collègues du LODI lors de la préparation « dernière minute » de conférences, d’expériences
critiques ou de tout autre moment de stress, pour les dîners partagés et les pauses café tant
appréciées. Je pense entre autres à Mathias Strupler, Fouzi Benboujja, Simon Lemire-Renaud,
Étienne de Montigny, Nadir Goulamhoussen, Romain Deterre, Amélie St-Georges-Robillard

iv
(membre honoraire du LODI) et à tous ceux que je n’ai pas nommés qui sont passés par le
laboratoire durant mon séjour. Merci également à Liane Bernstein, stagiaire au LODI, qui a
travaillé sous ma supervision sur le projet des poissons zèbres. Je veux remercier tous les
membres du laboratoire du Prof. Carl-Éric Aubin que j’ai eu la chance de côtoyer au
CHU Sainte-Justine et dans le cadre des diverses conférences de la SSQ et de l’IRSSD.
Je tiens à remercier du fond du cœur mon conjoint, Laurent Potvin-Trottier, qui m’a
supportée moralement et émotionnellement tout au long de ce projet. Il a même su me donner un
petit coup de pouce scientifique de temps à autre. Je ne pourrai jamais lui être assez
reconnaissante de m’inciter à constamment repousser mes limites me permettant ainsi de viser
toujours plus haut. Je veux également souligner les encouragements constants reçus de la part de
mes parents. Ils m’ont appris que seuls des efforts soutenus et une détermination à toute épreuve
peuvent nous permettre d’obtenir ce que l’on recherche. Merci!
Finalement, je veux souligner le support financier reçu dans le cadre de ma maîtrise de la
part de ces organismes subventionnaires : le Groupe de recherche en sciences et technologies
biomédicales (GRSTB), la Fondation du CHU Sainte-Justine et la Fondation des Étoiles.

v
RÉSUMÉ
La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle complexe de
la colonne vertébrale nécessitant une intervention chirurgicale pour les courbures sévères. Les
méthodes chirurgicales actuellement utilisées sont très invasives; elles requièrent une large
incision, une instrumentation massive en plus de la fusion d’une section de la colonne. Afin
d’améliorer les conditions postopératoires et de préserver la flexibilité des patients scoliotiques,
de nouvelles approches chirurgicales sans fusion osseuse faisant plutôt appel à la modulation de
la croissance ont été développées récemment. Dans cette veine, une équipe multidisciplinaire de
l’École Polytechnique de Montréal et du Centre de recherche du CHU Sainte-Justine développe
actuellement une technique basée sur l’insertion de micro-agrafes entre la plaque de croissance de
la vertèbre et le disque intervertébral. Ce dispositif permet de moduler passivement la croissance
des vertèbres du côté convexe de la courbure scoliotique. Cette modulation modifie alors la
géométrie des vertèbres qui, chez les patients scoliotiques, présente une cunéiformisation. La
modulation induite par ces dispositifs permettrait alors de corriger la courbure de la colonne.
Cette technique innovatrice permettrait de préserver la flexibilité de la colonne et la santé du
disque intervertébral en plus d’être compatible avec des approches minimalement invasives. Pour
être efficaces, les micro-agrafes doivent néanmoins être positionnées avec une précision sous-
millimétrique à l’interface entre la plaque de croissance et le disque intervertébral. Un guidage
peropératoire en temps réel est ainsi nécessaire au succès de ce type d’intervention.
La tomographie par cohérence optique (OCT) est un bon candidat pour cette application.
L’OCT se base sur une technique d’interférométrie à faible cohérence afin de fournir des coupes
transversales d’une dizaine de micromètres de résolution sur 2 à 3 mm en profondeur. Cette
technique présente une acquisition en temps réel et est compatible avec l’endoscopie, démontrant
ainsi un potentiel intéressant pour le guidage peropératoire de chirurgies minimalement invasives
(MIS) de la colonne. L’objectif général de ce projet de maîtrise est donc d’évaluer la capacité de
l’OCT à localiser et identifier les structures rachidiennes (plaque de croissances, tissu osseux,
disques intervertébraux et tissu conjonctif) ainsi qu’à guider l’implantation de micro-agrafes.
Pour ce faire, une sonde OCT respectant les contraintes chirurgicales d’une MIS effectuée
par thoracoscopie (via le thorax) a été conçue et développée. Cette sonde présente un diamètre
externe de 17 mm et fait 30 cm de long. Couplée à un interféromètre fibré, la sonde permet des