Mise en œuvre d'un système portable d'imagerie cérébrale fonctionnelle bimodalité

RÉSUMÉ Dans ce mémoire, un appareil portable d’imagerie fonctionnelle du cerveau bimodalité est présenté. Ces travaux, entrepris dans le cadre du projet IMAGINC au sein du laboratoire Polystim, ont pour objectif de combiner la spectroscopie par proche infrarouge (NIRS, pour Near Infrared Spectroscopy) et l’électroencéphalographie (EEG) dans un même système afin de répondre aux besoins cliniques pour des applications incluant l’épilepsie et les accidents vasculaires cérébraux. À l’heure actuelle, les technologies couramment utilisées pour l’imagerie fonctionnelle du cerveau sont peu portables, coûteuses et nécessitent d’immobiliser le patient. La NIRS et l’EEG ont le potentiel de contourner ces problématiques et certains appareils ont prouvé la validité du concept. Cependant, le nombre de canaux et la sensibilité en NIRS de ces derniers sont insuffisants pour répondre aux exigences cliniques. Afin de répondre à ces besoins, l’appareil conçu peu être porté par le patient, a assez de canaux de détection pour couvrir toute la tête, a une autonomie de plus de 24 heures et est assez sensible en NIRS pour obtenir des données de qualité, même en présence de cheveux foncés. Constitué de trois modules, soit une interface graphique sur un ordinateur distant, un module de contrôle porté à la ceinture et un casque d’acquisition, le prototype réalisé permet de transférer les données en temps réel et est complètement configurable et contrôlable à distance. Afin de valider les performances du système, des mesures sur fantôme ont été effectuées pour la NIRS ainsi que pour l’EEG. Par la suite, un protocole expérimental utilisant des adultes en santé a été effectué sur 5 sujets et les résultats ont été comparés à ceux de la littérature. Après analyse, il a été conclu que l’appareil présenté fonctionne correctement et permet de reproduire des protocoles expérimentaux déjà publiés. Certaines améliorations doivent toutefois être apportées afin de pouvoir mieux répondre aux besoins du milieu de la santé.----------ABSTRACT In this thesis, a portable functional brain imaging system using two modalities is presented. This work, which is part of the IMAGINC project and affiliated with the Polystim laboratory, has the objective to combine near infrared spectroscopy (NIRS) to electroencephalography (EEG) in a single system in order to answer the clinical needs in applications as epilepsy and stroke. At this moment, typical technologies used for functional brain imaging are not portable, costly and need the patient to be immobilized. NIRS and EEG have the potential to by-pass these problems and some systems have already proved the validity of that concept. These systems, however, have a low channel count and lack NIRS sensitivity. In order to provide a better solution, a device was designed with enough detection channels to cover the whole head, autonomy over 24 hours and sufficient NIRS sensitivity to obtain quality data even with dark hair. The prototype that was built is made of 3 modules: a graphical user interface, a control module that can be worn on a belt and an acquisition helmet. It can transfer its data in real time to a distant computer and is completely remote configurable and controllable. Validation of the system was made by first using NIRS and EEG phantoms. An in-vivo experimental protocol was then used with 5 healthy adult subjects and results were compared with available papers. Analysis showed that the prototype works correctly and allows reproducing the results found in other published works. However, further optimization is still needed to improve the ability of the device to answer clinical needs

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.Epilepsy is the most common chronic neurological disorder after stroke. The major form of treatment is long-term drug therapy to which approximately 30% of patients are unfortunately refractory to. Brain surgery is recommended when medication fails, especially if magnetic resonance imaging (MRI) can identify a well-defined epileptogenic lesion. Unfortunately, close to a quarter of patients have nonlesional refractory focal epilepsy. For these MRI-negative cases, identification of the epileptogenic zone rely heavily on remaining tools: clinical history, video-electroencephalography (EEG) monitoring, ictal single-photon emission computed tomography (SPECT), and a positron emission tomography (PET). Unfortunately, the limited spatial and/or temporal resolution of these localization techniques translates into poor surgical outcome rates. In this thesis, we explore three relatively novel techniques to improve the localization of the epileptic focus for patients with drug-resistant focal epilepsy who are potential candidates for epilepsy surgery: high-field 3 Tesla (T) MRI, near-infrared spectroscopy (NIRS) and magnetoencephalography (MEG). In the first study, we evaluated if high-field 3T MRI, providing a higher signal to noise ratio, could help detect subtle epileptogenic lesions missed by conventional 1.5T MRIs. Unfortunately, we show that the former was able to detect an epileptogenic lesion in only 5.6% of cases of 1.5T MRI-negative epileptic patients, emphasizing the need for additional techniques. In the second and third studies, we evaluated the potential of NIRS in localizing the epileptic focus by analyzing the hemodynamic behavior of temporal and frontal lobe seizures respectively. We show that focal seizures are associated with significant increases in oxygenated haemoglobin (HbO) and total haemoglobin (HbT) over the epileptic area. While a contralateral mirror-like activation was seen in the majority of seizures, lateralization of the epileptic focus was possible most of the time. In addition, an unexpected increase in deoxygenated haemoglobin (HbR) was noted in some seizures, suggesting possible hypoxia even during relatively brief focal seizures. In the fourth and last study, the utility of MEG in the evaluation of nonlesional drug-refractory focal epileptic patients was studied. It was found that MEG source localization of interictal epileptic spikes had an impact both on patient management for over two thirds of patients and their surgical outcome