Spectroscopy systems for the detection of gastrointestinal dysplasia

Abstract

The detection of gastrointestinal (GI) dysplasia is essential to improve the patient’s survival rate. The diagnosis of this condition can be performed using spectroscopy techniques, such as fluorescence and diffuse-reflectance, which have the potential to provide morphological and biochemical information regarding normal and dysplastic tissue. Research prototypes currently used for those clinical spectroscopy techniques have associated a few drawbacks: they are costly, bulky, too sophisticated and they use optical fibers, which are usually related with low-collection efficiency. Moreover, these catheterbased instruments are invasive and very uncomfortable for the patient. In this context, the present work had the purpose to develop a miniaturized spectroscopy system, based on those two techniques, that features low-complexity and costeffectiveness. Furthermore, the integration of optical components in a single chip allows a high level of reliability. Such a system can be integrated in less-invasive devices (e.g., the endoscopic capsules), for an effective and comfortable detection of GI dysplastic lesions. The developed spectroscopy system core is based on thin-film optical filters and lowcost silicon photodiodes, used for the selection and detection of a few light wavelengths significant for the diagnosis of dysplasia. Thin-film optical filters, centered at specific wavelengths, were designed, fabricated and characterized after the successful demonstration that the use of only 16 spectral bands (within the 350 to 750 nm spectral range) enabled an accurate extraction of tissue information. The feasibility of using the fabricated filters to establish a quantitative spectroscopy diagnosis was proved with measurements on tissue phantoms. Additionally, an even more compact device is proposed for qualitative diagnosis using only two different spectral bands, centered at 420 nm for fluorescence measurements and at 540 nm for diffuse-reflectance measurements. This approach enabled the construction of a diagnostic algorithm for the identification of dysplastic tissues, with a sensitivity and specificity of 77.8% and 97.6%, respectively. This thesis work was also directed towards the development of a fluorescence and diffuse-reflectance spectroscopy imaging system for excised tissue margins assessment, which results from mucosal resections in the GI tract. In the developed system, wide area imaging is achieved by mechanically scanning an optical probe along the tissue surface, with variable spatial resolution. This medical device can provide real-time feedback regarding the resected mucosal margins, which represents a huge impact in intra-operative diagnosis. The clinical utility of the spectroscopy imaging prototype was successfully demonstrated using biological samples, i.e., different images containing reliable quantitative tissue information were obtained using analytical models. These images can be subsequently used to establish a diagnosis. This system may enable the reduction of the patient anxiety, avoiding the follow-up surgery, once a fast and real-time data analysis can be performed inside the operating room.

A deteção de displasia gastrointestinal (GI) é essencial para melhorar a taxa de sobrevivência dos pacientes. O diagnóstico desta condição pode ser efetuado utilizando técnicas de espectroscopia, como a fluorescência e a reflectância difusa, que têm a capacidade de proporcionar informação morfológica e bioquímica acerca dos tecidos normais e dos tecidos com displasia. Os protótipos, ainda em investigação, actualmente utilizados em espetroscopia clínica e que implementam as técnicas mencionadas, têm associadas várias desvantagens, como por exemplo: têm elevado custo; são demasiado sofisticados e volumosos; e utilizam fibras óticas, que normalmente estão associadas a uma baixa eficiência na recolha de sinal. Para além disso, estes instrumentos baseiam-se em catéteres, o que os torna invasivos e, por isso, desconfortáveis para o paciente. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um sistema baseado nas duas técnicas de espectroscopia acima referidas, que seja simples, de baixo custo e miniaturizado. A integração de componentes óticos num único chip possibilita a obtenção dispositivos óticos mais fiáveis e estáveis. Um sistema com estas características pode ser integrado em dispositivos de diagnóstico menos invasivos (por exemplo, nas cápsulas endoscópicas) para uma deteção eficaz e confortável das lesões displásticas do trato GI. O elemento principal deste sistema miniaturizado de espetroscopia consiste em filtros óticos baseados em filmes finos e fotodíodos de silício de baixo custo, ambos utilizados para a seleção e deteção de alguns comprimentos de onda importantes para o diagnóstico de displasia. Estes filtros óticos, centrados em comprimentos de onda específicos, foram desenhados, fabricados e caracterizados após ter sido demonstrado que a utilização de apenas 16 bandas espetrais (na gama espetral compreendida entre os 350 e os 750 nm) permitia uma extração correta da informação dos tecidos. A viabilidade de utilizar os filtros fabricados para o estabelecimento de um diagnóstico espetroscópico quantitativo foi também demonstrada com êxito através de medições realizadas em fantomas. Adicionalmente, e tendo em vista o desenvolvimento de um dispositivo ainda mais compacto, foi proposto um diagnóstico qualitativo, ou empírico, utilizando apenas duas bandas espetrais, centradas em 420 nm no caso das medições de fluorescência e em 540 nm no caso das medições de reflectância difusa. Esta abordagem permitiu a construção de um algoritmo de diagnóstico para a identificação de displasia com uma sensibilidade e uma especificidade de 77,8% e de 97,6%, respetivamente. Desenvolveu-se, igualmente, um sistema espetroscópico de imagem (envolvendo fluorescência e reflectância difusa) para a análise de margens de tecido excisado que resultam de ressecções da mucosa do tracto GI. Este sistema, através do varrimento mecânico de uma sonda de fibra ótica ao longo da superfície do tecido, com uma resolução espacial variável, possibilita a aquisição de imagens numa vasta área de tecido. Este dispositivo médico pode fornecer uma resposta em tempo real acerca das margens de tecido excisado, o que representa um enorme impacto no diagnóstico intra-operatório. A sua utilidade clínica foi demonstrada, com bons resultados, utilizando amostras biológicas, isto é, foi possível obter imagens contendo informação quantitativa fidedigna acerca dos tecidos, que pode ser subsequentemente utilizada para estabelecer um diagnóstico. Um sistema como este poderá reduzir a ansiedade dos pacientes e evitar a realização de novas cirurgias, uma vez que logo após a cirurgia, e ainda na sala de operações, pode efectuar-se uma análise aos tecidos.