université de montréal mise en œuvre d`un système d

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
MISE EN ŒUVRE D’UN SYSTÈME D’IMAGERIE CÉRÉBRALE
FONCTIONNELLE BASÉ SUR LA SPECTROMÉTRIE INFRAROUGE
FÉLIX CHÉNIER
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(MICROÉLECTRONIQUE)
FÉVRIER 2008
© Félix Chénier, 2008.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé:
MISE EN ŒUVRE D’UN SYSTÈME D’IMAGERIE CÉRÉBRALE
FONCTIONNELLE BASÉ SUR LA SPECTROMÉTRIE INFRAROUGE
présenté par: CHÉNIER Félix
en vue de l’obtention du diplôme de: Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de:
M BRAULT Jean-Jules, Ph.D., président
M SAWAN Mohamad, Ph.D., membre et directeur de recherche
M LESAGE Frédéric, Ph.D., membre

iv
REMERCIEMENTS
Je désire tout d’abord remercier mon directeur de recherche, Mohamad Sawan,
pour m’avoir donné la chance de travailler sur un projet aussi captivant. Avec un
tel objectif, il a été facile de rester motivé tout au long de ces deux années.
Je ne peux passer sous silence l’aide de Frédéric Lesage qui m’a beaucoup éclairé
sur l’imagerie par diffusion optique et Dang Nguyen qui m’a fait comprendre les
enjeux derrière la réalisation de ce système.
Un gros merci à mes collègues : Roula, Pierre-Yves, Gilbert, Amer, Forough, Charles,
Guillaume et Sébastien qui ont su rendre le quotidien particulièrement coloré. Je
tiens aussi à remercier ma conjointe Sophie et mes parents Luc et Josée pour leur
soutien continu.
Je veux féliciter le travail exceptionnel des techniciens qui m’ont aidé dans ma
démarche : Laurent Mouden, Jacques Girardin, Gilles Guérette et Mikael Leduc.
Finalement, merci aux membres du jury qui ont accepté l’importante tâche d’éva-
luer la qualité de ce travail.

v
RÉSUMÉ
Nous présentons dans ce mémoire une contribution dans le cadre d’un système
d’imagerie fonctionnelle cérébrale par diffusion optique. Ce projet, entrepris par
le laboratoire de neurotechnologies Polystim, vise à créer un système d’imagerie
portable à plusieurs canaux qui pourra être utilisé en même temps qu’un électroen-
céphalographe. Un tel système combinant deux techniques d’imagerie cérébrale est
très attendu pour le traitement de l’épilepsie.
L’imagerie par diffusion optique se base sur la spectrométrie en proche infrarouge,
qui consiste à émettre de la lumière selon plusieurs longueurs d’onde sur la surface
du cortex d’un sujet. Comme la tête est un milieu hétérogène, une infime partie de la
lumière émise est réfléchie vers la surface après être passée par le cortex. En plaçant
un photodétecteur à quelques centimètres de l’émetteur, il est possible d’évaluer
l’absorption de la lumière tout au long de son parcours. Or, en utilisant l’équation
de Beer-Lambert, on se sert de cette absorption pour déterminer les variations
locales de concentration d’oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine dans le cortex.
L’hémoglobine est le transporteur d’oxygène dans le sang ; or, la concentration
d’oxygène est étroitement liée à l’activité cérébrale locale.
La contribution de cette maîtrise consiste en la mise en œuvre d’un système de
spectrométrie continue en proche infrarouge complet à un canal. L’émetteur est
un circuit intégrant trois diodes électroluminescentes de 730, 805 et 850nm. Ces
trois longueurs d’onde sont émises une à la fois de manière continue pendant un
bref instant. Toutes les diodes sont ensuite éteints pendant quelques millisecondes;
le système peut alors être complètement désactivé jusqu’au prochain échantillon.
Ceci est bénéfique pour trois raisons : premièrement, l’interférence avec l’électroen-
céphalographe est limitée. De plus, il devient possible d’opérer les diodes à leur
maximum de puissance pendant le très bref instant où elles sont actives, ce qui
conduit à une amélioration du rapport signal/bruit. Finalement, comme la dissi-

vi
pation d’énergie du système provient surtout des diodes, il est avantageux de les
activer au besoin seulement.
Quant au détecteur, il est constitué d’une photodiode au silicium et d’un ampli-
ficateur opérationnel adapté conçu par le laboratoire Polystim. Le signal amplifié
est échantillonné sur 18 bits et transféré vers un ordinateur via le port RS232.
Les données sont traitées à l’aide du logiciel Matlab pour obtenir une courbe de
l’oxygénation et du volume sanguin en fonction du temps.
Des évaluations sur un fantôme rapportent un rapport signal/bruit de plus de 50dB
à une fréquence d’acquisition de 12Hz. De plus, on observe une déviation du signal
à long terme de moins de 0,5% en 30 minutes.
Des tests sur le cortex préfrontal ont permis de visualiser les composantes usuelles,
soient le battement cardiaque, l’onde de Mayer et parfois la respiration. Finalement,
un test sur le cortex moteur primaire utilisant le protocole du Finger-Tapping a
permis de dénoter une relation entre les variations d’activité cérébrale induite et
détectée.