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 résolutions axiale et latérale de 16 et 27 µm respectivement. La sonde OCT a été utilisée in vivo lors d’une chirurgie ouverte sur un modèle porcin. Différents tissus présents dans la fenêtre opératoire (poumon, muscles, tissus osseux et disque intervertébral) ont ainsi été imagés. Ces tests in vivo préliminaires ont permis de montrer que la sonde est en mesure d’identifier différents types de tissus avec une bonne sensibilité et une pénétration optique adéquate. Ces résultats ont également montré qu’une inspection visuelle seule des images OCT in vivo est insuffisante pour localiser la plaque de croissance sur une vertèbre.

Une étude ex vivo utilisant des vertèbres porcines a ainsi été réalisée afin d’identifier des marqueurs quantitatifs afin de faciliter l’interprétation des images OCT in vivo. Dans un premier temps, les images OCT ont été comparées aux coupes histologiques correspondantes. Il a été possible d’observer que le tissu conjonctif présente une structure de bandes causée par les propriétés biréfringentes du collagène constituant ce tissu. Le disque intervertébral présente, pour sa part, une structure lamellaire caractéristique. Finalement, la plaque de croissance et le tissu osseux induisent des signaux OCT monotones, mais avec des coefficients d’atténuation différents (pentes différentes). Ainsi, les coefficients d’atténuation relatifs pour chaque tissu (plaque de croissance, tissu osseux, tissu conjonctif et disque intervertébral) ont été mesurés sur plusieurs échantillons et comparés entre eux. Il a ainsi été possible de montrer que la plaque de croissance possède un coefficient d’atténuation relatif moyen statistiquement différent des autres tissus. En se basant sur ces derniers résultats, un algorithme de segmentation automatique de la plaque de croissance a été développé et testé. L’algorithme a été appliqué aux images d’un échantillon ex vivo de vertèbre porcine et a réussi à identifier la majeure partie de la plaque de croissance (plus de 75%) parmi le tissu osseux du corps vertébral et le disque intervertébral.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet de maîtrise montrent ainsi que l’OCT présente un contraste, une résolution et une profondeur de pénétration suffisants pour l’identification des tissus musculosquelettiques de la colonne. Ces travaux permettent ainsi de croire que l’OCT pourra, à terme, être utilisé pour le guidage peropératoire de l’insertion des micro-agrafes lors de chirurgies correctrices de la scoliose.

Adolescent idiopathic scoliosis is a complex 3D deformity of the spine which requires surgical intervention in severe cases of the condition. The existing corrective procedure of scoliosis is very invasive;​ it involves a long incision and a large instrumentation, in addition to the fusion of a section of the spine. To improve postoperative conditions and to preserve patients’ spinal flexibility, novel fusionless surgical approaches involving growth modulation are under investigation. With this objective in mind, a multidisciplinary team from École Polytechnique of Montreal and Sainte-Justine University Hospital Research Center is developing a surgical technique based on the insertion of micro-staples between vertebral growth plates and corresponding intervertebral disks. Each micro-staple passively modulates the vertebral growth on the convex side of the scoliotic curvature. This modulation modifies vertebral geometry which, for scoliotic patients, presents a wedging deformity. The modulation induced by these devices could lead to the correction of the curvature of the spine. This innovative procedure would preserve the flexibility of the spine as well as the health of intervertebral disks, in addition to being compatible with minimally invasive approaches. However, to be efficient, the microstaples must be placed at the junction between the growth plate and the disk with a submillimeter precision. An intraoperative guiding system is therefore required to ensure the success of the intervention.

Optical coherence tomography (OCT) is a promising candidate for this application. OCT is based on low-coherence interferometry and provides cross-sectional images with a resolution about 10 µm for a depth of 2 to 3 mm. This technique allows for the real-time acquisition of images and is compatible with endoscopy, thereby showing a potential for the intraoperative guidance of minimally invasive surgeries (MIS) of the spine. The main objective of this master’s project is therefore to evaluate the possibility of using OCT to localize as well as identify spinal structures (such as growth plates, osseous tissue, intervertebral disks and connective tissue) and to guide the insertion of micro-staples.

To attain this objective, an OCT handheld probe was designed and developed according to the surgical constraints of MIS performed by thoracoscopy (through the thorax). This probe has an external diameter of 17 mm and is 30 cm long. Coupled with a fibered interferometer, the axial and lateral resolutions of the probe are of 16 and 27 µm respectively. The OCT probe was used in vivo during an open surgery on a porcine model. Different tissues within the operative window (lung, muscles, osseous tissues and intervertebral disk) were imaged during the procedure. These preliminary in vivo tests demonstrated that the probe is capable of identifying different types of tissue with a good sensitivity and an adequate penetration depth. These results also showed that a visual inspection of the in vivo OCT images alone is not sufficient to localize the growth plates on the vertebrae.

An ex vivo study using porcine vertebrae was therefore performed to identify quantitative markers in order to facilitate the interpretation of in vivo OCT images. OCT images were initially compared to corresponding histological sections. The ensuing results showed that the connective tissue layer presents a band pattern due to the birefringence properties of the collagen-rich tissue. The intervertebral disk was also shown to have a characteristic lamellar structure on OCT images. Lastly, within growth plate and osseous tissue locations, the OCT signal decay is monotonic, but with different attenuation coefficients (different slopes). Relative attenuation coefficients were therefore measured for each tissue (growth plate, osseous tissue, connective tissue and intervertebral disk) on several specimens and were compared. These results showed that growth plates present an average relative attenuation coefficient statistically different from the other tissues. An automatic growth plate segmentation algorithm was then developed and tested. The algorithm was applied to images from an ex vivo specimen of a porcine vertebra and successfully identified most of the growth plate (> 75%) amidst the osseous tissue of the vertebral body and the intervertebral disk.

This master’s project shows that OCT presents contrast, resolution and penetration depth that are sufficient for the identification of musculoskeletal structures of the spine. It is thus reasonable to believe that, ultimately, OCT could be used for the intraoperative guiding of the insertion of micro-staples during corrective surgeries of scoliosis.