Développement d'un système de tomographie par cohérence optique pour la mesure de la compliance vasculaire cérébrale in-vivo

L'imagerie de la microvasculature cerebrale chez les petits animaux connait depuis les dernieres annees une avancee rapide. La tomographie par coherence optique (OCT) est un outil qui a permis recemment d'obtenir des images de haute resolution de celle-ci chez des rats et des souris. Elle permet egalement des mesures de ux sanguin et des etudes fonctionnelles sur le cerveau. Il est maintenant rendu possible d'appliquer cette technique a l'etude de problematiques reelles en recherche neurovasculaire. Une telle problematique est l'etude de la compliance des arterioles. La compliance est un sujet d'inter^et depuis que de nouvelles hypotheses sur le developpement des maladies neurodegeneratives pointent vers un facteur commun vasculaire. Le r^ole du reseau neurovasculaire est de fournir les nutriments necessaires a l'activite des neurones. Une dysfonction de la regulation sanguine pourrait g^ener cette fonction. La compliance arterielle joue un r^ole cle dans la regulation sanguine, mais jusqu'a maintenant les outils disponibles pour en faire l'etude ne permettaient que des mesures ex-vivo. Cette contrainte elimine toute possibilite d'etude longitudinale sur un m^eme animal. L'OCT peut s'averer ^etre un outil interessant pour la mesure de la compliance in-vivo. L'objectif de ce travail de ma^trise a donc ete de developper et de valider une technique d'estimation de la compliance basee sur l'OCT. L'appareil OCT developpe utilise une source de lumiere superluminescente a 870 nm et un interferometre de Michelson an de produire des images structurelles et de ux de la microvasculature cerebrale chez la souris. La caracterisation des performances de ce systeme donne une resolution axiale de 9 m, une profondeur de penetration de 600 m et une sensibilit e de 105 dB. L'appareil permet des mesures de ux entre 10 et 100 nL=s et une taille minimale de vaisseaux detectes de 30 m. Une technique innovatrice de reconstruction des images OCT permet d'obtenir l'evolution du ux sanguin sur un cycle cardiaque. Cette nouvelle information de dynamique arterielle permet d'evaluer la pulsatilite du ux sanguin. Un evaluateur de la compliance qui se base sur cette mesure est derive. An de tester le modele d'evaluation de la compliance, une etude comparative entre un groupe de souris normales et un groupe de souris developpant des plaques d'atheroscleroses est proposee. Le resultat d'une etude ex-vivo montre que les arteres plus larges du cerveau ont une compliance superieure chez les animaux atteints d'atherosclerose. L'utilisation de l'OCT permet de retrouver ce resultat de maniere non-invasive. De plus l'OCT permet

Abstract

Optical imaging of the neurovascular network has been recently evolving at a rapid pace. Optical Coherence Tomography (OCT) has been used to produce high quality angiograms of cortical microvasculature in mice and rat. Through this technique, precise measurements of blood speed can be made without the use of invasive markers opening the door for studies of blood ow and neurovascular function. The current aim of research in the eld is to develop imaging protocols and methods for studying specic neurovascular function. One such vascular function is arteriolar compliance. New hypothesis in the development of neurodegenerative diseases have revealed a link with vascular degeneration. Neurovascular regulation involves the supply of blood ow towards regions of neural activity. Blood supplies oxygen and nutriments to active neurons and improper supply of it can lead to neuronal dysfunction. Compliance is a characteristic of arteries describing their reaction to changes in pressure. It plays a key role in blood ow regulation and as such has been the subject of recent interest. The tools used for compliance evaluation require an extraction of the target vessel for ex-vivo characterization which eliminates any possibility of longitudinal studies on the same animal. OCT through it's ability to image the neurovascular network could oer an alternative way of measuring arteriolar compliance in-vivo. The aim of this work was therefore to develop and validate a technique for measuring compliance based on OCT measurements. The OCT system developed in this work is based on a superluminescent diode emitting light in the near-infrared range at 870 nm. The system produces structural and ow images of the cerebral microvasculature in mice and rats. It has a maximum axial resolution of 9 m, a penetration depth of 600 m and a sensibility of 105 dB. The system was also able to produce accurate ow measurements between 10 and 100 nL=s when tested on a fantom and produced accurate volumetric maps of blood vessels with arterioles as small as 30 m being imaged. Along with the standard protocols for imaging volumes and slices through the vasculature, a novel reconstruction technique was developed. This technique uses electrocardiography information to produce sequences of OCT slices over one cardiac cycle. These sequences reveal the changes in blood speed and vessel area over that cycle. A simple arterial model then uses this novel information to produce an estimate of vessel compliance. In order to test this new compliance evaluation method, a group study is presented. This study aims to reveal dierences in arteriolar compliance between a group of normal