Prototype d'imagerie cérébrale multicanal portable par spectroscopie proche-infrarouge et électroencéphalographie

Ce mémoire de maîtrise présente l'implémentation et la validation d'une instrumentation d'acquisition de biosignaux issus des technologies d'imagerie cérébrale que sont l'électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie proche-infrarouge (SPIR ou NIRS : Near-infrared spectroscopy). La première des techniques mesure directement l'activité électrique au niveau du scalp, tandis que la seconde est sensible aux variations d'oxygénation du sang, variations qui peuvent être reliées à l'activité cérébrale. Contrairement aux autres techniques d'imagerie cérébrale, celles-ci peuvent être portables, peu coûteuses, à haute résolution temporelle, et permettent d'imager tout le cortex en temps réel. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire du groupe IMAGINC, dont une des missions est de développer un système d'acquisition temps réel de signaux SPIR et EEG, non invasif, portable, communiquant avec un ordinateur par un lien sans fil, avec 32 canaux d'EEG, 32 sources et 32 détecteurs de lumière afin d'imager tout le cortex, les appareils existants ne rassemblant pas tous ces critères. Le prototype construit répond pleinement à ces attentes : comportant un casque pour maintenir sur le scalp l'ensemble des électrodes et optodes, le système peut être porté à la ceinture et transmettre à une interface usager l'ensemble des données issues des 128 canaux SPIR et 32 canaux EEG, ainsi que des modules supplémentaires comme un accéléromètre ou des circuits d'acquisition de canaux auxiliaires, utiles dans un contexte clinique. L'instrument a étée valid sur une quarantaine de sujets à ce jour, lors de tests cognitifs qui ont permis d'observer l'activité neuronale induite sur les donnéees acquises, à travers le calcul des modifications hémodynamiques, semblables à celles décrites par la littérature. Des études de comparaisons statistiques à un appareil commercial et de calcul de reproductibilité du signal sont prévues pour confirmer les validations qualitatives. L'appareil permettra par la suite d'effectuer la surveillance de patients épileptiques sur de longues durées, en améliorant leur confort, pour des études préopératoires, ou celle de patients lors d'opérations à coeur ouvert, dont l'oxygénation cérébrale doit être contrôlée, les appareils existants étant difficilement intégrables en salle d'opération.

Abstract

This master thesis describes the implementation and validation of a novel instrumentation able to acquire biosignals from two brain imaging technologies: electroencephalography (EEG) and near-infrared spectroscopy (NIRS). The rst one directly measures electrical variations on scalp, while the other one can detect the blood oxygenation variations, which can be correlated with cerebral activities. Contrary to others brain imaging modalities, the both described here have potential to be portable, relatively inexpensive, with high temporal resolution and allow to image the whole cortex in real time. This work is part of a multidisciplinary team collaboration within the IMAGINC research group, one of the goals being the development of a real-time, noninvasive and portable NIRSEEG signal acquisition system, able to communicate wirelessly with a computer, gathering data from 32 EEG channels, 32 light sources and 32 light detectors, to image the whole cortex. Existing commercial or research devices do not gather all of these features. The built prototype fully meets the expected characteristics: composed of a helmet able to maintain every optodes and electrodes on scalp, the wireless system can be attached to the belt and transmit to an user interface the data provided by 128 NIRS and 32 EEG channels, as well as additional modules like an accelerometer or auxiliary channel acquisition circuits, useful in a clinical context. The instrument has been validated on around forty subjects, during cognitive tests, the results of which showed expected induced brain activities on acquired data, through the calculation of haemodynamic variations, similar to those described in literature. We are also conducting studies to statistically compare the prototype and evaluate the reproductibility of biosignals, to conrm the qualitative validation developed here. In the future, the device should allow to monitor epileptic patients on long periods of time, while improving comfort, for preoperative studies, or patients undergoing open heart surgery, procedure in which the cerebral oxygenation needs to be controlled, but no existing commercial devices currently is operating-room friendly.