NIRS et canaux courts : une méthode utile en musculaire et cérébrale

La technologie NIRS permet de mesurer de manière non-invasive l’évolution de l’oxygénation des tissus, principalement pour suivre la saturation musculaire en oxygène, ou enregistrer l’activité cérébrale. Dans un de nos article (ici), nous expliquons comment ces données sont calculables à partir d’émetteurs et de récepteurs lumineux qui mesurent des variations d’intensité lumineuse en fonction de la concentration en hémoglobine oxygénée.

La profondeur de mesure maximale d’un canal correspond à la moitié de la distance entre l’émetteur et le récepteur. Les canaux longs ont classiquement une distance inter-optodes de 35mm, ce qui signifie que la mesure peut se faire jusqu’à environ 15 mm de profondeur.

Cependant, la lumière utilisée dans un canal de mesure long traverse deux fois les zones superficielles (peau, crâne, …) de part et d’autre de la zone d’intérêt (muscle ou cortex cérébral). Ces zones superficielles sont très vascularisées, et impactent le signal mesuré. En effet, la variation locale de l’hémoglobine mesurée provient de différentes composantes : la réponse hémodynamique, la fréquence cardiaque, les ondes de Mayer, les cycles respiratoires (Zang et al. 2007). Afin de récupérer la réponse hémodynamique couramment recherchée, des filtres sont fréquemment utilisées.

Les canaux courts (SSC pour Short Separation Channel) représentent une stratégie pour isoler la réponse hémodynamique des autres signaux. Avec une distance inter-optode d’environ 15 mm, ils permettent de mesurer le signal des couches superficielles sans interagir avec le tissu (muscle ou cortex). L’objectif est de conduire à une meilleure qualité de données.

Dans la littérature, plusieurs méthodes utilisent les canaux courts dans l’analyse des données.

    - Simple soustraction du canal court au canal long (photo).

    - Méthode des moindres carré (moyens ou récursifs) par réduction de l’erreur quadratique moyenne (Sato at al.,2016) (Zhang et al., 2015).

   - Méthode d’estimateur dynamique basé sur filtre de Kalmann (Gagnon et al., 2012)

En pratique, le template d’optodes choisi pour la mesure permet une grande liberté dans l’utilisation des SSC, puiqu’il est possible d’associer 1 SSC par canal long, ou un SSC par groupe d’optode, par hémisphère, … La méthode d’analyse découlera de la surface mesurée, et peut se faire directement dans le logiciel d’analyse OxySoft pour la méthode soustractive.

Le sytème Brite multicanal et dédié à la fNIRS permet une complète liberté dans le positionnement des optodes, et peut naturellement intégrer les canaux courts.

Chaque capteur du PortaLite MKII intègre canal long + canal court, avec une distance fixe. Polyvalent pour mesurer le lobe frontal et les muscles, il est le premier dispositif à intégrer les canaux courts dans sa conception.

Enfin, le nouveau PortaMon MKIII innove en intégrant les canaux courts dans un capteur compact et multifonction (SSC, TSI pour la mesure absolue de l’oxygénation musculaire, centrale inertielle, …). Il permettra sans doute de faire progresser la recherche dans l’utilisation des canaux courts en NIRS musculaire, notamment sur l’impact du tissus adipeux.

Laurent Royer Navigant dans les sciences biomédicales, guidé par la boussole de la curiosité...

Références :

- Brigadoi S, Cooper RJ (2015). How short is short? Optimum source–detector distance for short-separation channels in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics 2(2).

- Gagnon L, Cooper RJ, Yücel MA et al. (2012) Short separation channel location impacts the performance of short channel regression in NIRS. NeuroImage, 59, 3

- Noah JA, Zhang X, Dravida S, et al. (2021). Comparison of short-channel separation and spatial domain filtering for removal of non-neural components in functional near-infrared spectroscopy signals. Neurophotonics 8(1)

- Sato, T, Nambu I, Takeda K, et al. (2016). Reduction of global interference of scalp-hemodynamics in functional near-infrared spectroscopy using short distance probes. NeuroImage, 141, 120–132.

- Yücel MA, Selb J, Aasted CM et al. (2015). Short separation regression improves statistical significance and better localizes the hemodynamic response obtained by near-infrared spectroscopy for tasks with di ering autonomic responses. Neurophotonics 2(3).

- Zhang Q, Brown EN, & Strangman GE. (2007). Adaptive filtering for global interference cancellation and real-time recovery of evoked brain activity: a Monte Carlo simulation study. Journal of Biomedical Optics.

- Zhang Y, Tan F, Xu X, et al. (2015). Multiregional functional near-infrared spectroscopy reveals globally symmetrical and frequency-specific patterns of superficial interference. Biomed Opt Express.