Caméra hyperspectrale d`imagerie en fluorescence pour guider l

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
CAMÉRA HYPERSPECTRALE D’IMAGERIE EN FLUORESCENCE POUR GUIDER
L’EXÉRÈSE DE TUMEURS DU CERVEAU
YOANN GOSSELIN
INSTITUT DE GÉNIE BIOMÉDICAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE BIOMÉDICAL)
AOÛT 2014
© Yoann Gosselin, 2014.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé:
CAMÉRA HYPERSPECTRALE D’IMAGERIE EN FLUORESCENCE POUR GUIDER
L’EXÉRÈSE DE TUMEURS DU CERVEAU
présenté par : GOSSELIN Yoann
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. KADOURY Samuel, Ph.D, président
M. LEBLOND Frédéric, Ph.D, membre et directeur de recherche
M. DAIGLE Olivier, Ph.D, membre et codirecteur de recherche
M. LESAGE Frédéric, Ph.D, membre

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REMERCIEMENTS
Je veux tout d’abord remercier mon directeur de recherche, Frederic Leblond, de m’avoir
pris comme premier étudiant dans son laboratoire à Polytechnique Montréal. Merci de m’avoir
fait confiance au cours de ma maîtrise et durant l’organisation du laboratoire. Merci pour avoir
non seulement pris à cœur la progression de mon projet de maîtrise, mais aussi mon
développement en tant qu’ingénieur dans le domaine de l’optique biomédicale. Je tiens également
à remercier mes collègues au Laboratoire de Radiologie Optique, Andréanne Goyette, Jeanne
Mercier et plus récemment Joannie Desroches, Michael Jermyn et Julien Pichette pour leur
support académique et moral. Merci aussi à Amélie St-Georges, étudiante au doctorat sous la
direction de Thomas Gervais, pour avoir répondu à mes nombreuses questions avec le sourire.
Je tiens aussi à remercier mon co-directeur, Olivier Daigle, ainsi que toute l’équipe chez
Nüvü Camēras pour m’avoir donné la chance de travailler sur un projet si passionnant. Merci de
m’avoir aidé à progresser au courant de ma maîtrise et de m’avoir accueilli lors de différentes
activités, dîners et conférences.
Je tiens également à remercier les autres laboratoires du Département de génie physique.
Merci à Gabriel Éthier-Majcher et Philippe St-Jean du laboratoire de Sébastien Francoeur pour
les conversations de bureau et le pool de hockey. Merci à l’équipe de laboratoire de Caroline
Boudoux pour leur support, le journal club et les innombrables emprunts de matériel optique.
Merci à l’équipe du laboratoire de Nicolas Godbout pour leur aide au niveau de la programmation
et à Elyes Khettal pour le support moral durant nos études. Merci au laboratoire de Frederic
Lesage pour leur aide au niveau logiciel et optique.
Finalement, je tiens à remercier nos collaborateurs au Dartmouth College, principalement
à Pablo Valdés et à Kolbein Kolste, pour leur aide durant diverses expériences optiques. Merci
pour ces longues heures de compagnie durant la préparation de centaines de fantômes optiques et
durant l’acquisition de milliers de spectres. Merci de votre soutien.

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RÉSUMÉ
Les biomarqueurs ayant la capacité de s’accumuler spécifiquement dans une tumeur et
d’être imagés durant la chirurgie ouvrent plusieurs avenues de traitement pour différents types de
cancer. Dans le cas du cancer du cerveau, la protoporphyrine IX (PpIX) a montré une
accumulation spécifique dans les gliomes de haut grade (HGG) et ce en assez grande quantité
pour être facilement détectée durant la chirurgie. L’utilisation de ce marqueur durant la chirurgie
a augmenté l’efficacité de l’exérèse de ces tumeurs, ce qui augmente le pronostic et la qualité de
vie des patients. Cependant, les méthodes de détection qualitatives (vFI) utilisées durant la
chirurgie manquent de sensibilité pour détecter les marges des tumeurs et les gliomes de bas
grades, même avec l’utilisation de marqueurs fluorescents. De façon à guider plus efficacement
l’exérèse, une sonde spectroscopique a été développée par le Dr. Brian Wilson de manière à
détecter de façon plus sensible et plus spécifique le signal fluorescent accumulé dans les tumeurs
du cerveau durant la chirurgie. Cette sonde s’est montrée plus efficace que l’utilisation seule d’un
microscope neurochirurgical pour la classification de tissus cancéreux lors de l’exérèse.
Cependant, une telle sonde peut venir déranger le plan de travail du chirurgien et a un champ de
vue très limité. Pour ces raisons, un système en champ large pour la quantification de la
fluorescence (qFI) durant la chirurgie a été développé au Darthmouth College avec le prof.
Frederic Leblond. Un tel système vient se connecter au microscope neurochirurgical utilisé en
salle d’opération (OR) et permet la détection hyperspectrale de l’entièreté du champ de vue
imagé par le microscope. Ainsi, on peut obtenir en quelques secondes durant la chirurgie un
spectre de fluorescence corrigé par rapport aux propriétés optiques du tissu pour chacun des
pixels de l’image associée au champ de vue. Les spectres de fluorescence obtenus peuvent
ensuite être associés à une concentration de biomarqueur dans le tissu imagé. Bien qu’un tel
système se montre plus sensible que la simple utilisation d’un microscope neurochirurgical et ce
sans venir déranger le plan de travail du chirurgien, sa sensibilité est moindre que celle de la
sonde décrite plus haut.
Ainsi, dans le cadre de cette maîtrise, un système hyperspectral pour la quantification de
la fluorescence en neurochirurgie a été développé pour imager l’entièreté du champ de vue du
chirurgien tout en ayant une sensibilité semblable à celle de la sonde spectroscopique présentée
précédemment. Pour ce faire, le système a été conçu, développé et caractérisé à Polytechnique

v
Montréal dans le Laboratoire de Radiologie Optique en collaboration avec Nüvü Camēras, une
compagnie ayant développé la caméra la plus sensible au monde en imagerie à faible flux
lumineux. Le système, intégrant la caméra EMCCD hNü de Nüvü Caméra, est connecté au
microscope neurochirurgical à l’aide de composantes d’optiques personnalisées et d’un guide
d’imagerie de fibres optiques. Une interface logicielle personnalisée a été développée de manière
à contrôle et synchroniser les différentes composantes du système.
Tout d’abord, de façon à évaluer le besoin en sensibilité en neurochirurgie, le détecteur
EMCCD a été comparé au détecteur utilisé dans le système de détection de la fluorescence en
champ large développé au Dartmouth College. Un indice   , où le RSB est le ratio
signal sur bruit et tex est le temps d’exposition est utilisé pour comparer les deux détecteurs. À de
faibles concentrations de chromophores, la caméra EMCCD a obtenu un indice I jusqu’à 470 fois
plus élevé que le détecteur utilisé dans le système qFI de Dartmouth College. Ceci démontre que
des détecteurs moins bruités augmentent la qualité des images et la vitesse d’acquisition dans un
contexte neurochirurgical.
Ensuite, le système développé à Polytechnique Montréal intégrant la caméra EMCCD est
comparé au système qFI développé à Darthmouth. Des fantômes fluorescents sont imagés
simultanément avec les deux systèmes à travers un microscope neurochirurgical. Pour les mêmes
temps d’intégration, le système développé dans le cadre de cette maîtrise a détecté des
concentrations de biomarqueur jusqu’à 25 fois plus faibles que celles détectées par le système le
plus sensible de l’état de l’art. Un tel système pourrait donc aider de façon plus efficace à guider
l’exérèse de tumeurs du cerveau, en quantifiant de façon plus sensible et plus spécifique les
biomarqueurs utilisés en neurochirurgie.