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Article de méthode

Mesure de la réactivité cérébrovasculaire par spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle

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DOI :

10.3791/61284

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2 juin 2022

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1National Intrepid Center of Excellence, Walter Reed National Military Medical Center, 2Uniformed Services University of the Health Sciences, 3The Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health, 4University of Pennsylvania Perelman School of Medicine

Dans cet article

Résumé

Voici un protocole d’imagerie et de mesure de la réactivité cérébrovasculaire chez l’homme avec la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS). La fNIRS est une nouvelle modalité d’imagerie qui capture les changements de concentration des espèces d’hémoglobine dans le cortex le plus externe du cerveau sous des stimuli spécifiques.

Résumé

La réactivité cérébrovasculaire (RVC) est la capacité des vaisseaux sanguins du cerveau à modifier le flux sanguin cérébral (avec dilatation ou constriction) en réponse à des stimuli chimiques ou physiques. La quantité de réactivité dans la microvascularisation cérébrale dépend de l’intégrité de la capacité vasculaire et constitue la fonction principale des cellules endothéliales. La CVR est donc un indicateur de la physiologie et de la santé globale de la microvascularisation. Des méthodes d’imagerie capables de mesurer le CVR sont disponibles, mais peuvent être coûteuses et nécessitent des centres d’imagerie par résonance magnétique et une expertise technique. Dans cette étude, nous avons utilisé la technologie fNIRS pour surveiller les changements d’oxyhémoglobine (HbO) et de désoxyhémoglobine (HbR) dans la microvascularisation cérébrale afin d’évaluer le CVR de 15 témoins sains (HC) en réponse à un stimulus vasoactif (dioxyde de carbone inhalé à 5 % ou CO2). Nos résultats suggèrent qu’il s’agit d’une technologie d’imagerie prometteuse qui offre une méthode non invasive, précise, portable et rentable de cartographie du CVR cortical et de la fonction microvasculaire associée, résultant d’une lésion cérébrale traumatique ou d’autres conditions associées à la microvasculopathie cérébrale.

Introduction

La santé vasculaire du cortex cérébral peut être mesurée par la capacité des vaisseaux à se contracter ou à se dilater dans des conditions physiologiques variables. La mesure de la réactivité vasculaire peut être utile dans le diagnostic et la prise en charge des affections neurologiques associées à un dysfonctionnement microvasculaire cérébral, comme la démence, les lésions cérébrales traumatiques (TCC) et même le vieillissement 1,2,3,4. De plus, la CVR peut être utilisée comme biomarqueur prédictif et/ou pharmacodynamique pour des troubles neurologiques tels que la maladie d’Alzheimer5 ou le TCC6, 7, 8, 9, 10. Il existe des méthodes d’imagerie bien établies pour étudier les CVR chez les sujets humains et animaux. Une méthode typique comprend l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en conjonction avec un stimulus exogène ou endogène, tel que l’hypercapnie11, l’apnée ou l’acétazolamide2. Lu et al.12,13 ont démontré qu’un système simple d’administration de gaz couplé à l’imagerie MRI-Blood Oxygen Level Dependent (MRI-BOLD) génère des cartes CVR précises de l’ensemble du cerveau.

Les perturbations du flux sanguin, du volume et du taux métabolique d’oxygène du système vasculaire cérébral produisent des changements dans les concentrations tissulaires d’HbO et d’HbR. L’absorption tissulaire de la lumière dans le proche infrarouge est sensible aux changements dans la concentration des espèces d’hémoglobine, telles que HbO et HbR. Par conséquent, la mesure de la lumière rétrodiffusée au fil du temps peut quantifier les changements de concentration d’HbO et d’HbR dans le cortex le plus externe (environ 2 cm)15, et peut être utilisée pour évaluer les variations hémodynamiques temporelles16 , y compris la réactivité cérébrovasculaire (CVR)17.

Dans notre paradigme de recherche, nous utilisons l’instrument fNIRS avec une fonction d’onde continue. L’appareil est composé de 4 sources et de 10 détecteurs, qui créent 16 paires source-détecteur (voir Figure 1). Les paires source-détecteur sont moulées ensemble sur une sangle en silicone qui peut facilement être placée sur le front et maintenue en place avec une enveloppe auto-adhésive. L’appareil mesure l’intensité lumineuse à 730 et 850 nm et a une fréquence d’acquisition de 2 Hz. Ce système a été choisi parce qu’il est convivial pour le patient, facile à porter et qu’il recueille des données du cortex préfrontal, une région du cerveau particulièrement vulnérable aux traumatismes crâniens. Heureusement, la plupart des autres systèmes fNIRS sont compatibles avec notre technique d’acquisition CVR, ne différant que par les régions corticales mesurées en fonction de la zone cérébrale d’intérêt.

Bien que l’IRMf soit considérée comme la référence en matière d’imagerie cérébrale fonctionnelle, la technologie IRNf présente des avantages uniques pour évaluer le CVR par rapport à l’IRMf. La technique d’imagerie fNIRS offre une résolution temporelle élevée (avec une granularité de quelques millisecondes) et peut quantifier les changements de concentration d’HbO et d’HbR, tandis que l’IRMf ne mesure que les changements deHbR 18,19,20. De plus, les instruments fNIRS sont portables, économiques et plus faciles à utiliser que l’IRMf. Enfin, la technologie fNIRS résout mieux le mouvement du sujet, ce qui est nécessaire étant donné que les défis vasculaires comme l’hypercapnie sont souvent utilisés en combinaison avec des tâches d’étude cognitives ou physiques21.

Dans cet article, un défi d’hypercapnie, combiné à la technologie fNIRS, est présenté. Nous avons mesuré les valeurs CVR et étudié la reproductibilité de cette méthode, dans l’espoir d’offrir une alternative fiable aux mesures CVR IRMf.

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Protocole

Les participants ont été recrutés selon un protocole approuvé par un comité d’examen institutionnel (ClinicalTrials.gov NCT01789164). L’équipement décrit dans le protocole est approuvé éthiquement par notre institution.

1. Préparer les matériaux utilisés pour le défi de l’hypercapnie (figure 2)

  1. Gonflez un sac Douglas de 200 L (article #1) avec une cartouche prémélangée de gaz de qualité médicale composée de 5 % de dioxyde de carbone, de 21 % d’oxygène et de 74 % d’azote jusqu’à ce qu’elle soit pleine.
  2. Insérez deux diaphragmes (article #3) dans la soupape bidirectionnelle de non-réinspiration (article #4) pour garantir que le gaz ne s’écoulera que dans une seule direction. Fixez un orifice de la valve à trois voies (article #2) au sac Douglas (article #1) via le tube d’alimentation en gaz (article #5), et l’autre port à la valve à deux voies sans réinspiration (article #4) via un deuxième tube d’alimentation en gaz (article #5).
  3. Fixez l’embout buccal (article #6) au connecteur (article #7), puis fixez le connecteur à la valve bidirectionnelle sans réinspiration (article #4).
  4. Insérez le tube du capnographe (article #8) dans le trou du connecteur (article #7).
  5. Fixez le filtre à air (article #9) au tube du capnographe (article #8).
  6. Vissez l’extrémité du filtre à air en plastique (article #9) qui n’est pas connecté au tube du capnographe (article #8) dans le moniteur de CO2 (article #10).
  7. Connectez le capnograh (article #10) à un ordinateur portable avec un câble. Ouvrez le logiciel de lecture de port de données, sélectionnez le port USB correspondant et lancez la lecture des données. Allumez le capnographe. Les données s’afficheront automatiquement sur l’écran de l’ordinateur.
  8. Connectez le boîtier fNIRS à l’ordinateur à l’aide d’un câble USB. Connectez le bandeau du détecteur de source au boîtier FNIRS. Connectez l’adaptateur secteur au boîtier fNIRS et allumez l’interrupteur.

2. Procédures pendant l’expérience

  1. Demandez au participant de s’asseoir sur une chaise et de se mettre à l’aise pendant la configuration des appareils. Allumez le système fNIRS.
  2. Placez le bandeau du détecteur de source sur le front du patient, au-dessus des zones du cortex préfrontal sous-jacentes (zones corticales frontales dorsale et inférieure)21.
  3. Vérifiez que le bandeau du détecteur de source est soigneusement positionné au-dessus du sourcil et au milieu du front. Placez la rangée inférieure du détecteur à environ 3,5 cm au-dessus de la nasion ou de l’arête du nez, là où l’indentation du haut du nez rencontre le front entre les yeux.
  4. Assurez-vous que les détecteurs adhèrent fermement à la peau du participant, sans que les chromophores (par exemple, le maquillage) ou les cheveux n’interfèrent. Aucune préparation cutanée n’est nécessaire.
  5. Sous « Réglage de l’appareil », réglez le gain des détecteurs entre 1 et 20. Un gain plus élevé augmentera la sensibilité des détecteurs de lumière. La valeur par défaut est 20. Réglez le « Courant LED » entre 5 mA et 20 mA. Des valeurs plus élevées se traduiront par une lumière plus brillante et augmenteront le niveau du signal généré par les détecteurs. La valeur par défaut est de 20 mA.
  6. Dans le logiciel d’acquisition, appuyez sur « Démarrer l’expérience en cours ». Les sources enverront de la lumière à 2 longueurs d’onde et l’intensité du signal lumineux détecté par chaque détecteur sera affichée en temps réel. En cas de signal saturé (signal >4 000) ou faible (signal <1 000), ajustez le contact entre le bandeau du détecteur de source et la peau ou les paramètres des étapes 2.3 et 2.4. La procédure complète exacte a été expliquée dans Ayaz et al.22.
  7. Demandez au participant d’inspirer et d’expirer par la bouche à son rythme respiratoire normal. Fixez un pince-nez sur le nez du participant et rappelez-lui de continuer à respirer normalement par la bouche et d’alerter quelqu’un s’il ressent une gêne ou a de la difficulté à respirer.
  8. Insérez soigneusement l’embout buccal (élément #6) dans la bouche du participant afin qu’il puisse continuer à respirer. Pour augmenter le confort du participant pendant l’intervention, demandez au participant de soutenir la valve de non-réinspiration (élément #3) avec sa main.
  9. Appuyez sur le bouton « Ligne de base » dans le logiciel associé. Il mesurera et enregistrera automatiquement le signal lumineux pour la ligne de base fNIRS pendant 20 secondes (s).
  10. Appuyez sur « Enregistrer » avant de commencer l’expérience.
  11. Au début de l’expérience, démarrez l’horloge, appuyez sur « Marqueur manuel » et écrivez sur un papier l’heure affichée par le capnographe. Toutes les minutes, tournez la vanne connectée au tuyau de gaz pour passer de l’air ambiant à l’air ambiant mélangé à 5 % de CO2. De nouveau, appuyez sur « Manual Marker » et écrivez sur un papier l’heure affichée par le capnographe chaque fois que le mélange de gaz inhalé est changé (Figure 3).
    REMARQUE : Le marquage manuel de l’heure affichée sur le capnographe est essentiel pour la synchronisation future entre les signaux optiques fNIRS et la trace EtCO2 du capnographe.
  12. Après 7 min, arrêtez l’enregistrement fNIRS en cliquant sur le bouton « Arrêter ». Prévoyez 60 secondes supplémentaires d’enregistrement pour le CO2 en fin d’expiration (EtCO2) et enregistrez les données EtCO2 au format ASCII dans le logiciel de lecture de données.
  13. Informez le participant que la procédure est terminée. Retirez délicatement le pince-nez et retirez l’embout buccal. Offrez un mouchoir au participant pour qu’il absorbe la salive accumulée lors de la procédure.

3. Procédures de nettoyage

  1. Jetez le tube du capnographe (article #8), le filtre (article #9), l’embout buccal (article #6) et le pince-nez.
  2. Nettoyez l’équipement réutilisable. Détachez la soupape à deux voies (article #4) du tube d’alimentation en gaz (article #5) et du tube de raccordement (article #7) et extrayez les diaphragmes (article #3). Immergez les diaphragmes (article #3), le tube de raccordement et la vanne à deux voies (article #4) dans un récipient rempli d’un désinfectant détergent de qualité médicale sans phosphate et contenant des tensioactifs pendant 20 min. Diluez le détergent avec de l’eau distillée dans un rapport de 1:64.
  3. Lavez les articles #1,4,7 avec de l’eau distillée, puis placez-les sur un comptoir propre avec un matériau stérile tel qu’un tampon chux en dessous. Laissez-les sécher à l’air libre avant de les réutiliser.
  4. Videz le sac Douglas.

4. Analyse des données

  1. Traitement du signal à l’aide d’un logiciel de traitement de données fNIRS
    REMARQUE : Le traitement du signal est la première étape de l’analyse des données. Cela se fait à l’aide d’un logiciel de traitement de données fNIRS (par exemple, fNIRSoft) afin d’éliminer le bruit ou les artefacts dans les données dus aux mouvements du patient. Seules les données du logiciel d’acquisition sont nécessaires pour cette analyse.
    1. Dans le logiciel de traitement de données, cliquez sur « Charger le fichier » pour sélectionner puis télécharger les données fNIRS acquises.
    2. Cliquez sur « Affiner » et une fenêtre contextuelle apparaîtra. Sélectionnez « Données brutes » et appuyez sur « Suivant ».
      1. Cliquez sur les outils de filtrage médian et de rejet d’artefact de mouvement à fenêtre glissante (SMAR)23 pour reconnaître et supprimer à la fois l’artefact de mouvement et les canaux saturés du signal brut. Appuyez sur « Appliquer ».
      2. Cliquez sur le filtre « Fréquence passe-bas » pour supprimer la composante d’impulsion et de respiration (filtre Hanning, n = 20, coupure = 0,1 Hz)21,24,25,26. Appuyez sur « Appliquer ».
      3. Cliquez sur « Detrend » pour éliminer la variation temporelle lente. Appuyez sur « Appliquer ».
    3. Cliquez sur « OXI » pour transformer l’intensité lumineuse en concentrations d’HbO et d’HbR. Cliquez sur « Enregistrer », puis sélectionnez MATLAB comme format de fichier de sauvegarde.
  2. Traitement du signal avec MATLAB
    REMARQUE : La deuxième partie de l’analyse est réalisée à l’aide de MATLAB afin de corréler le signal fNIRS avec l’EtCO2 décalé dans le temps. Les données de l’étape précédente (4.1.5) et les données du capnographe (trace EtCO2 , étape 2.12) sont nécessaires au traitement des données.
    1. Importez le tracé EtCO2 à partir du capnographe dans MATLAB sous la forme de deux colonnes (une pour le temps et la seconde pour les valeurs EtCO2 ). Décalez l’heure EtCO2 avec l’heure pré-calibrée pour corriger le retard par rapport au temps de la tubulure d’échantillonnage.
      REMARQUE : Il s’agit de la différence de temps entre une respiration à l’embout buccal et l’apparition de cette respiration sur l’enregistrement CO2 . Dans cette configuration, c’était 15 s.
    2. Utilisez le premier point temporel enregistré par le capnographe au début de l’expérience, l’étape 2.11 comme point de départ (t = 0). Convertissez l’EtCO2 en secondes.
    3. Importez les données d’oxy et de désoxyhémoglobine de l’étape 4.1.3 dans MATLAB.
    4. Calculez le retard physiologique entre EtCO2 (mesuré dans la bouche) et le signal fNIRS (mesuré dans le cerveau) en trouvant le coefficient de corrélation le plus élevé entre ces deux signaux à des décalages temporels variables. (voir le script MATLAB joint pour les étapes 4.2.3 à 4.2.6). Le décalage temporel avec le coefficient de corrélation le plus élevé est considéré comme le temps optimal.
    5. Décalez le parcours temporel d’EtCO2 de l’heure optimale (obtenue à l’étape 4.2.4). Conservez les points temporels qui contiennent à la fois des données fNIRS et EtCO2 . La série à deux temps doit avoir la même longueur.
    6. Calculez les valeurs CVR pour chaque voie, qui est la solution de l’équation linéaire entre HbO (ou HbR) et EtCO2 à l’aide de la décomposition de Cholesky dans MATLAB.

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Résultats

La fNIRS a été réalisée avec un défi d’hypercapnie sur 15 participants en bonne santé. Les critères d’exclusion étaient les antécédents de traumatisme crânien, les troubles neurologiques ou psychiatriques invalidants préexistants ou la grossesse. Les participants avaient un âge moyen de 37,7 ± 16 ans (fourchette de 20 à 55 ans) et 20 % étaient des femmes. Comme l’a montré une étude IRMf similaire28, une inhalation de 5 % de CO2 pendant 60 s s’accompagnait d’une augmentation de la pressi...

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Discussion

Nous avons pu mesurer le CVR à l’aide de la fNIRS et d’une technique d’inhalation de gazCO2 chez 15 volontaires en bonne santé. La valeur CVR mesurée est la corrélation entre le signal fNIRS acquis et l’EtCO2. Le défi consiste à aligner avec précision le tracé temporel d’EtCO2 avec le signal fNIRS, c’est-à-dire à tenir compte du temps nécessaire au sang pour se déplacer du système vasculaire pulmonaire au cœur, puis au système vasculaire cérébral. La vari...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Remerciements

Les travaux dans le laboratoire des auteurs ont été soutenus par le Center for Neuroscience and Regenerative Medicine (CNRM), Uniformed Services University of the Health Sciences (USUHS), Bethesda, MD, par le Military Clinical Neuroscience Center of Excellence (MCNCoE), Department of Neurology, USUHS, et par le programme de recherche intra-muros des National Institutes of Health. Les opinions exprimées dans cet article sont celles de l’auteur et ne reflètent pas la politique officielle du ministère de l’Armée, de la Marine et de l’armée de l’air, du ministère de la Défense ou du gouvernement américain.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Brassard bleu22254Mélange gazeux CO2-Air Vacumed
Taille 200R012000 2003Diaphragme à oxygène
(Taille : moyen, Type : spirale)602021-2608Sac Hans Rudolph
Douglas (capacité de 200 litres)500942Harvard Apparatus
Tube de distribution de gaz1011-108Vacumed
Tube d’échantillonnage de gazT4305QoSINA
Filtre hydrophobe9906-00Philips Medical Systems
Luermâle 11547QoSINA
Embout buccal (Silicone, Modèle #9061)602076Hans Rudolph
Pince-nez (Mousse plastique, Modèle #9014)201413Hans Rudolph
Valve à trois voies (100 % plastique)CR1207Hans Rudolph
Valve non respiratoire à deux voies (22mm/ 15mm ID)CR1480Hans Rudolph
Roberts

Références

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