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ISPIf OU fNIRS

(Imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle)

Introduction

L’imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle, aussi appelée la spectroscopie proche infrarouge ou imagerie optique (« Near-InfraRed Spectroscopy » ou NIRS) est une technique non invasive d’imagerie fonctionnelle qui mesure de manière indirecte l’activité du cerveau au moyen de capteurs optiques placés sur le cuir chevelu. Tout comme l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), la spectroscopie proche infrarouge mesure les changements hémodynamiques associés à l’activité neuronale (Villringer, Planck, Hock, Schleinkofer, & Dirnagl, 1993). La spectroscopie proche infrarouge peut être utilisée pour étudier le fonctionnement du cerveau tant chez des participants sains de tous les âges que chez des personnes souffrant de maladies neurologiques (maladie d’Alzheimer, épilepsie) ou psychiatriques, telles que la schizophrénie, les troubles anxieux et de l’humeur (Irani, Platek, Bunce, Ruocco, & Chute, 2007).


Historique

L’idée d’utiliser une lumière pour « voir » à l’intérieur du corps humain remonte à plusieurs siècles même si ce n’est qu’en 1977 que l’on mesura pour la première fois, à l’aide de capteurs expérimentaux, l’absorption de la lumière traversant le crâne (Jobsis, 1977). En effet, les propriétés de transparence des tissus cérébraux avaient déjà été établies en Angleterre par le chercheur Richard Bright en 1831, lorsque celui-ci examina le crâne d’un patient souffrant d’hydrocéphalie. Bright observa à l’aide d’une chandelle que le crâne du patient était semi-transparent. Ce n’est toutefois que dans les années 1980 que les premières études cliniques utilisant l’imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle à onde continue chez des enfants et des patients souffrant de maladies cérébro-vasculaires furent publiées. Les premières études fonctionnelles de spectroscopie proche infrarouge chez des participants sains ne firent leur apparition qu’en 1991 (Ferrari & Quaresima, 2012).


Mécanismes d’action

Puisque les tissus humains sont relativement transparents à la lumière du spectre proche infrarouge (Fig. 1), en émettant une source de lumière de faible puissance dans le spectre du proche infrarouge au niveau du crâne, il est possible de mesurer les changements de concentration de deux chromophores ; l’oxyhémoglobine (c.-à-d. hémoglobine oxygénée) et la désoxyhémoglobine (c.-à-d. hémoglobine désoxygénée). 



Figure 1. Spectre proche infrarouge



 Toutefois, puisque les tissus biologiques sont composés de structures dont la forme et la taille varient beaucoup (p. ex. cellules, membranes), la lumière (c.-à-d. les photons) suit des trajectoires très complexes étant incapable de se propager entièrement en ligne droite (Fig. 2; Maikala, 2010; Villringer & Chance, 1997). En particulier, le cerveau possède une forte tendance à disperser la lumière dans toutes les directions. Néanmoins, une partie de la lumière émise réussit à pénétrer toutes les couches jusqu’au cortex cérébral afin d’être détectée par des capteurs optiques.



Figure 2. Propagation de la lumière


Lorsqu’une région du cerveau est activée, sa consommation d’oxygène augmente. L’augmentation de la concentration locale en hémoglobine entraîne une diminution de l’hémoglobine désoxygénée. En émettant un faible faisceau de lumière dans le spectre du proche infrarouge sur le cuir chevelu d’un individu, il est possible de mesurer ces changements de concentration en hémoglobine oxygénée et désoxygénée (Fig. 3). 


Figure 3. Principes de base de l'imagerie du spectre proche infrarouge


La courbe d’absorption de l’oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine (Fig. 4) se croisent au centre de la zone du spectre infrarouge (soit 805 nm ; point isobestique). La molécule d’hémoglobine a des propriétés d’absorption différentes lorsqu’elle transporte de l’oxygène (oxyhémoglobine). Les changements de concentration de ces chromophores peuvent être quantifiés en utilisant la loi modifiée de Beer-Lambert. La loi de Beer-Lambert capture la relation entre l’absorption de la lumière dans une solution en fonction de la concentration du chromophore dans la solution, et de la longueur parcourue par la lumière.




Figure 4. Courbes d’absorption de l’oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine



La loi de Beer-Lambert

En 1729, le mathématicien et physicien français Pierre Bouguer décrit pour la première fois la relation entre le degré d’atténuation de la lumière en fonction des propriétés du milieu qu’elle traverse (Binkley, Campoe, Gspaltl, & Forrester, 2013). En 1760, le mathématicien et astronome français Jean-Henri Lambert, et par la suite en 1852 le physicien, chimiste et mathématicien allemand August Beer modifièrent la formule proposée par Bouguer pour inclure comme facteur la concentration du chromophore ainsi que les propriétés optiques du chromophore en question (Maikala, 2010). Toutefois, cette loi ne s’applique qu’à des milieux homogènes (c.-à-d. où un seul chromophore est présent) puisque seulement l’absorption de la lumière est prise en considération. Cette loi ne prend pas en considération la dispersion de la lumière lorsque celle-ci traverse un milieu hétérogène. Lorsque l’on analyse un milieu hétérogène, comme celui des tissus vivants, il faut appliquer la loi de Beer-Lambert modifiée (Fig. 5). Cette loi modifiée prend en considération l’existence d’une dispersion, d’une perte de photons ainsi que d’un temps de trajet plus long parcouru par ces photons.




Figure 5. Loi de Beer-Lambert



Équipement

Les premiers systèmes de spectroscopie étaient composés d’un seul canal (un émetteur + un détecteur). Maintenant les systèmes peuvent avoir jusqu’à 84 canaux (Contini et al., 2006 ; Lareau et al., 2011 ; Suhr & Chelberg, 2013 ; Takeuchi et al., 2009).

Les systèmes de spectroscopie proche infrarouge incluent (Fig. 6) :

  • 1.     Des émetteurs (p. ex. lampe, diode électrolumninescente, diode laser)
  • 2.     Des détecteurs (p. ex. photodiode au silicium, photodiode à avalanche, photorésistance, photomultiplicateur, phototransistor, caméra).           


Figure 6. Évolution des systèmes d'imagerie proche infrarouge



Il existe différents protocoles d’acquisition ([Askoura, Vaudelle, & L’Huillier, 2016 ; Ferrari & Quaresima, 2012] Fig. 7)

  • 1.     Spectroscopie à onde continue (« continuous wave ») : un émetteur illumine de façon continue une zone à une intensité constante et un détecteur mesure l’atténuation globale de l’intensité de la lumière une fois que celle-ci a traversé le crâne. Contrairement aux autres protocoles d’acquisition décrits plus bas, aucune information temporelle, fréquentielle, ni spatiale n’est mesurée.
  • 2.     Spectroscopie résolue en temps (« time resolved ») : contrairement à la spectroscopie à onde continue, un émetteur illumine la zone à l’aide des pulsations de lumière de brève durée ce qui permet de quantifier le profil temporel de la lumière transmise à différents moments dans le temps.
  • 3.     Spectroscopie résolue en fréquence (« frequency domain ») : tout comme la spectroscopie à onde continue, un émetteur illumine la zone de façon continue, mais l’intensité de la lumière est modulée. Ce protocole d’acquisition permet de mesurer l’atténuation globale, le décalage de phase ainsi que l’atténuation de l’indice de modulation.
  • 4.     Spectroscopie résolue spatialement (« spatially resolved ») : tout comme la spectroscopie à onde continue, un émetteur illumine de manière continue mais la lumière est mesurée à différentes distances de l’émetteur.


Figure 7. Protocoles d'imagerie proche infrarouge


Avantages et désavantages de la spectroscopie proche infrarouge

 L’un des avantages de la spectroscopie proche infrarouge est sa portabilité, laquelle permet d’explorer l’activité du cerveau chez différentes populations (nouveau-nés, populations cliniques), y compris chez des populations qui ne peuvent être étudiées en IRMf (implants cérébraux ou cochléaires, problèmes de claustrophobie, etc.) ou pendant des activités incompatibles avec l’IRMf (marche, mouvements amples, etc.). Un autre avantage est que les coûts d’acquisition et d’opération de la spectroscopie proche infrarouge sont beaucoup moins élevés que ceux associés à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et à la tomographie par émission de positrons (TEP). De plus, contrairement à l’électroencéphalographie (EEG), le signal de la spectroscopie proche infrarouge est en théorie moins sensible aux mouvements. Cette technique est par ailleurs facile à combiner avec d’autres approches telles que l’EEG, la TDCS ou la TMS. Néanmoins, la résolution temporelle de la spectroscopie proche infrarouge, tout comme celle de l’IRMf, dépend de la réponse hémodynamique. Puisque celle-ci est lente, la résolution de la spectroscopie proche infrarouge est donc limitée (Fig. 8). 



  Figure 8. Résolution temporelle de l'IRMf et de l'imagerie proche infrarouge (NIRS)



Sur le plan de la résolution spatiale, la spectroscopie proche infrarouge est par ailleurs restreinte aux couches corticales les plus externes à cause de l’atténuation de la lumière lorsque celle-ci le traverse (Fig. 9). Finalement, la sensibilité de cette technique varie selon les populations, les enfants étant le cas le plus favorable pour cause d’une distance moindre entre le cortex cérébral et la surface du cuir chevelu.



Figure 9. Résolution spatiale de l'IRMf et de l'imagerie proche infrarouge (NIRS)



Considérations de sécurité

L’imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle utilise des lasers habituellement de classe 3B. Bien que sans danger pour la peau, certaines consignes de sécurité doivent être observées afin d’éviter les risques de dommages à la rétine (Mercier, 2016). Les consignes de sécurités peuvent varier selon les institutions. À l’université Laval, les recommandations usuelles incluent par exemple que la porte du laboratoire affiche la classe de laser présente, et qu’un signal lumineux clignotant et un bouton d’arrêt d’urgence soient présents, et que les utilisateurs portent des lunettes de protection adaptées. Le laboratoire doit également comporter une procédure en cas d’accident.



À noter que ces règles de sécurité peuvent être adaptées en fonction de la (plus faible) dangerosité des lasers utilisés, après contrôle et selon l’avis des autorités compétentes (https://www.ssp.ulaval.ca/matieres-dangereuses/lasers-et-sources-optiques-dangereuses/regles-de-securite/).



Références

Askoura, M. L., Vaudelle, F., & L’Huillier, J.-P. (2016). Numerical study of light transport in apple models based on Monte Carlo simulations. Photonics, 3(1). doi:10.3390/photonics3010002

Binkley, D., Campoe, O. C., Gspaltl, M., & Forrester, D. I. (2013). Light absorption and use efficiency in forests: Why patterns differ for trees and stands. Forest Ecology and Management, 288, 5-13. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.foreco.2011.11.002

Commission électrotechnique internationale (CEI). (2014). Sécurité des produits laser : Norme 60825-1. Repéré à https://www.canada.ca/fr/sante-canada/services/radiation-et-consommateurs/lasers-portatifs-et-pointeurs-laser.html

Contini, D., Torricelli, A., Pifferi, A., Spinelli, L., Paglia, F., & Cubeddu, R. (2006). Multi-channel time-resolved system for functional near-infrared spectroscopy. Opt Express, 14(12), 5418-5432.

Ferrari, M., & Quaresima, V. (2012). A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application. Neuroimage, 63(2), 921-935. doi:10.1016/j.neuroimage.2012.03.049

Irani, F., Platek, S. M., Bunce, S., Ruocco, A. C., & Chute, D. (2007). Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): an emerging neuroimaging technology with important applications for the study of brain disorders. Clin Neuropsychol, 21(1), 9-37. doi :10.1080/13854040600910018

Jobsis, F. F. (1977). Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science, 198(4323), 1264-1267.

Lareau, E., Lesage, F., Pouliot, P., Nguyen, D., Le Lan, J., & Sawan, M. (2011). Multichannel wearable system dedicated for simultaneous electroencephalography∕near-infrared spectroscopy real-time data acquisitions. J Biomed Opt, 16(9), 096014. doi:10.1117/1.3625575

Maikala, R. V. (2010). Modified Beer's Law – historical perspectives and relevance in near-infrared monitoring of optical properties of human tissue. International Journal of Industrial Ergonomics, 40(2), 125-134. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.ergon.2009.02.011

Mercier, A. (2016, septembre). La sécurité lors de l’utilisation des lasers. Communication présentée à la formation générale du service de sécurité et de prévention de l’Université Laval, Québec, Québec.

Suhr, J. A., & Chelberg, M. B. (2013). Use of near-infrared spectroscopy as a measure of cerebrovascular health in aging adults. Neuropsychol Dev Cogn B Aging Neuropsychol Cogn, 20(2), 243-252. doi:10.1080/13825585.2012.727976

Takeuchi, M., Hori, E., Takamoto, K., Tran, A. H., Satoru, K., Ishikawa, A., . . . Nishijo, H. (2009). Brain cortical mapping by simultaneous recording of functional near-infrared spectroscopy and electroencephalograms from the whole brain during right median nerve stimulation. Brain Topogr, 22(3), 197-214. doi:10.1007/s10548-009-0109-2

Villringer, A., & Chance, B. (1997). Non-invasive optical spectroscopy and imaging of human brain function. Trends Neurosci, 20(10), 435-442.

Villringer, A., Planck, J., Hock, C., Schleinkofer, L., & Dirnagl, U. (1993). Near infrared spectroscopy (NIRS): a new tool to study hemodynamic changes during activation of brain function in human adults. Neurosci Lett, 154(1-2), 101-104.

Les chromophores sont des molécules qui absorbent la lumière dans une région spectrale spécifique (p. ex. infrarouge).

La courbe d’absorption est un tracé qui représente la quantité de lumière absorbée par un composé en fonction d’une longueur d’onde.

En spectroscopie, le point isobestique est le point ou les coefficients d’absorption de deux substances sont égaux.




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