Cours 7 : Imagerie optique Flashcards
Imagerie optique
L’imagerie optique cérébrale, encore appelée spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle, est une technique qui permet de mesurer les corrélats vasculaires de l’activité cérébrale, de manière assez similaire à l’IRMf. En revanche, elle repose sur un principe physique très différent: la diffusion et l’absorption de la lumière dans les tissus cérébraux. Ses limites et faiblesses sont aussi bien distinctes de l’IRMf.
Principes physiques et physiologiques:
Lumière infrarouge et tissus biologique
La lumière pénètre et diffuse au travers des tissus biologiques. Cela peut être observé facilement, par exemple en plaçant une lampe de poche derrière votre main. Votre main est en partie transparente et la lumière peut la pénétrer. Certains tissus vont plus absorber la lumière que d’autres, et permettre de voir le genre de tissus présent à l’intérieur de notre main. Mais quel genre de tissus exactement? cela va dépendre du genre de lumière… La lumière proche infra-rouge est intéressante de ce point de vue, car elle est particulièrement absorbée par l’hémoglobine. La vidéo ci-dessus permet ainsi d’observer assez clairement la vascularisation de la main avec de la lumière (et une caméra) proche-infrarouge. Karl von Vierordt en 1876 avait déjà pu remarquer qu’il était possible d’observer la diminution d’oxyhémoglobine dans la main avec cette technique, en limitant l’arrivée de sang dans la main au moyen d’une ligature. L’imagerie optique cérébrale repose aussi sur les propriétés physiques de la lumière proche infrarouge dans les tissus biologiques.
Principes physiques et physiologiques: Spectre d’absorption des tissus
Niveau d’absorption de la lumière par l’oxy- et la désoxyhémoglobine, en fonction de la longueur d’onde. La région proche infrarouge (NIR, near infra-red) est indiquée.
Principes physiques et physiologiques: Spectre d’absorption des tissus
Ce diagramme représente quelles longueurs d’ondes de la lumière sont absorbées par l’oxy- et la désoxy-hémoglobine, donc HbO2 (hémoglobine oxygénée en rouge) et HbR (hémoglobine non oxygénée en bleu). On peut voir qu’il y a des longueurs d’onde pour lesquelles le niveau d’absorption HbO2 vs HbRest très différent. Par exemple, à 700 nanomètres la lumière est plus absorbée par HbR, alors qu’à 900 nanomètres la lumière est plus absorbée par HbO2. Si on peut mesurer le niveau d’absorption dans le sang pour ces deux couleurs, en les comparant, on va pouvoir essayer de dissocier les concentrations en HbO2 et HbR. Un autre point important: ces longueurs d’onde sont très peu absorbées par l’eau, et la lumière proche infra-rouge va bien pénétrer dans les tissus biologiques. Donc, juste en étudiant la quantité d’absorption de deux longueurs d’onde proche infrarouge dans le cerveau, on va pouvoir quantifier le contenu en HbO2 et HB! Mais reste à savoir comment on peut faire cette mesure de manière localisée dans une petite région du cerveau.
Principes physiques et physiologiques: Diffusion de la lumière
Mesure localisée dans le cerveau en imagerie optique. Un émetteur de lumière proche infrarouge est appliquée sur le scalp. Cette lumière est diffusée dans le cerveau. Après avoir traversé une petite portion de tissus cérébraux, elle va être émise de nouveau à la surface du scalp, et mesurée par un récepteur
Principes physiques et physiologiques: Diffusion de la lumière
Dans le premier exemple que l’on a vu, avec une lampe qui illumine la main, la lumière traverse notre main en ligne droite depuis la lampe, jusqu’à notre œil. Si l’on applique le même principe au cerveau, la lumière va traverser l’ensemble des tissus, et on ne pourra pas identifier quelle région du cerveau a absorbé la lumière. On ne pourra jamais faire des images avec cette méthode. Mais si on envoie de la lumière dans le cerveau, une partie de cette lumière va se diffuser, selon un principe de marche aléatoire. Si on regarde le scalp autour de l’émetteur de lumière, la lumière diffusée va pouvoir être mesurée. Plus on va loin de l’émetteur, et plus cette lumière a traversé loin dans le cerveau. Si on va trop loin, de nombreux tissus seront mélangés. Si on va trop près, la lumière diffusée n’aura pas pénétré jusqu’au cerveau. Mais si on met notre détecteur à la bonne distance de l’émetteur (quelques cms), cette lumière aura traversé une région spécifique du cerveau, qui aura une forme en “U”.
Principes physiques et physiologiques: Diffusion de la lumière: ATTENTION
Seules les régions cérébrales proches du scalp pourront être mesurées précisément avec l’imagerie optique. Pour mesurer la lumière qui a pénétré très profondément dans le cerveau, il faudra que celle-ci traverse de nombreux tissus, et on n’aura pas une mesure spécifique des tissus profonds.
Principes physiques et physiologiques: Couplage neurovasculaire
On a maintenant vu le principe physique qui nous permet de mesurer la concentration en HbO2 et HbRdans une région (superficielle) du cerveau. Le principe physiologique sur lequel repose l’imagerie optique est le même que pour l’IRMf, c’est-à-dire le couplage neurovasculaire. Vous pouvez vous référez à la section du chapitre sur l’IRMf pour plus de détails. Brièvement, l’activité neuronale, notamment post-synaptique, requiert une consommation d’oxygène au niveau des cellules gliales, immédiatement à proximité des neurones concernés. Cette consommation d’oxygène va entraîner une augmentation d’HbO2 et une diminution relative d’HbRà proximité des populations de neurones activés. C’est ce phénomène de couplage neurovasculaire qu’on mesure à la fois en IRMf et en imagerie optique.
Acquisition et traitement: Recalage avec l’anatomie
Points de repère sur la tête et alignement imagerie optique / IRM. Haut à gauche: installation d’un montage d’imagerie optique sur un jeune participant. Haut à droite: différents points de repères standards sont identifiés sur la tête du participant. Bas: ces mêmes points de repère sont manuellement identifiés sur une reconstruction 3D du visage en IRM. Ces points de repères sont utilisés pour recaler la position des émetteurs / récepteurs d’imagerie optique avec l’IRM structurelle du participant.
Acquisition et traitement: Recalage avec l’anatomie
Afin de localiser l’activité cérébrale mesurée, il est courant d’utiliser une IRM structurelle du participant de recherche. Il est alors important de pouvoir situer les émetteurs et récepteurs de lumière proche infrarouge par rapport aux différentes régions du cerveau. Deux techniques principales sont utilisées. La première technique consiste à utiliser certais points de repères anatomiques sur la tête du participant, tel qu’illustré dans la Fig. 80. Ces points de repère sont aussi visibles dans l’IRM structurelle, et permettent de mettre en correspondance les deux types de mesure. La deuxième approche consiste à utiliser un système de neuronavigation, comme par exemple ce système qui utilise des caméras pour mettre en correspondance la position des émetteurs et récepteurs de lumière proche infrarouge avec l’IRM structurelle.
Acquisition et traitement: Montage
Un montage d’émetteurs/récepteurs en imagerie optique cérébrale. La position des sources de lumière est indiquée en rouge, la position des récepteurs est indiquée en noir. La position des sources, qui correspond aux tissus cérébraux entre la source et l’émetteur, est indiquée par des points oranges, et la trajectoire de la lumière est indiquée par des traits blancs.
Acquisition et traitement: Montage
On voit dans la figure Fig. 81 un montage où on va avoir différents canaux qui peuvent être activés en pairs (récepteur + émetteur). Chaque mesure est faite selon un ligne qui rejoint le récepteur à l’émetteur, et le point milieu (la source) est indiquée en orange. Différents montages existent, qui varient aussi bien par le nombre d’émetteurs et de récepteurs que leur disposition. Ces montages vont donner plus ou moins de résolution spatiale et d’accès aux sources profondes, et seront aussi plus ou moins dispendieux et complexes à installer selon le nombre des capteurs utilisés.
Acquisition et traitement: Artefact de mouvement
Corrections des artefacts de mouvement dans une acquisition d’imagerie optique.
Acquisition et traitement: Artefact de mouvement
Tout comme les données d’IRMf, les données d’imagerie optique sont sensibles au mouvement. Il est possible de tirer partie de l’excellente résolution d’acquisition de l’imagerie optique pour identifier des changements brusques dans le signal, indicateurs de mouvement. Ces changments brusques peuvent alors être corrigés, tel qu’illustré dans la Fig. 82.
Acquisition et traitement: Filtrage
Filtrage des données HbO2 pour éliminer les dérives lentes et les fréquences cardiaques.