Les limites de NIRS

La NIRS fournit une estimation de l’oxygénation musculaire et cérébrale qui a ses limites qui ne peuvent pas être contournées (Ferrari et al., 2004 ; Ferrari et Quaresima, 2012). Les principales difficultés concernant la technique NIRS sont une incapacité à distinguer l’absorption de lumière par Hb et par la Mb ainsi que la contribution relative des artérioles, capillaires et veinules dans le signal au repos et pendant l’exercice.

La contribution de Hb et Mb in vivo dans le signal NIRS au niveau de muscle squelettique reste flou. En effet, il est difficile de différencier les spectres de Hb et Mb, car ces deux chromophores présentent des caractéristiques d’absorption optique similaire dans le domaine du proche infrarouge. Il a été montré que Hb représente environ 80% du signal optique dans le muscle squelettique de souris, mais seulement environ 20% dans les muscles interosseux dorsaux humain au repos (Marcinek et al., 2007). Toutefois, le rapport Hb/Mb dans le muscle au repos est inconnu, et il y a peu de données disponibles sur la cinétique de la désaturation relative de la Mb et de Hb au cours des différentes modalités et intensités d’exercice. Néanmoins, l’ensemble des études existant suggèrent que la contribution de la désaturation de la Mb au signal NIRS pendant l’exercice dynamique est estimée à moins de 20% (Ferrari et al., 2011). Par ailleurs, il a été observé que le coefficient de diffusion et la longueur du trajet optique au niveau musculaire, à différentes longueurs d’onde, diminuaient de moins de 10% au cours des différentes modalités d’exercice (Saitoh et al., 2010 ; Torricelli

et al., 2004). Par conséquent, les modifications de la diffusion et du trajet optique au cours de

l’exercice contribueraient de manière négligeable dans le calcul de l’évolution de O2Hb, HHb et tHb mesurées par la technique NIRS.

D’autre part, la contribution relative des artérioles, capillaires et veinules au signal NIRS n’est pas claire. De plus, il est possible que ces proportions relatives varient avec l’intensité de l’exercice. Cependant, puisque les capillaires constituent la majorité du volume microvasculaire au niveau du muscle (Poole et al., 1995) et puisque les grandes artères et les veines (> 1 mm) ont de grandes concentrations de Hb qui absorbent toutes la lumière (McCully et Hamaoka, 2000), il semble raisonnable de considérer que les changements de

HHb reflètent principalement les variation de l’extraction capillaire d’O2. D’autre part, les effets de la contamination des veines à la mesure de tHb sont considérés comme négligeables en dessous de « seuil lactique » (Kime et al., 2009). Par ailleurs, la proportion de volume de sang artériel est d’environ 30% dans le cerveau humain (Ito et al., 2005), par conséquent, la technique NIRS offre la possibilité d’obtenir des informations concernant principalement les changements d’oxygénation qui se produisent à l’intérieur du compartiment veineux. Toutefois, il est difficile de séparer des signaux NIRS provenant soit de tissu cérébral ou tissus extra-cérébraux tels que le cuir chevelu, le muscle temporal, le crâne, le sinus frontal, le liquide céphalo-rachidien et la dure-mère.

L’influence de l’épaisseur du tissu adipeux sur la propagation de la lumière dans les muscles représente une limite de l’utilisation de la NIRS. En effet, l’utilisation de la NIRS a été limitée à des sujets minces et généralement des hommes car les femmes présentent une épaisseur du tissu adipeux plus importante par rapport aux hommes. Par ailleurs, la NIRS ne peut pas être utilisée chez des sujets atteints des maladies favorisant l’augmentation de l’épaisseur du tissu adipeux. Bien que plusieurs méthodes ont été développées pour prendre en compte l’épaisseur du tissu adipeux (Geraskin et al., 2009 ; Geraskin et al., 2007 ; Niwayama et al., 2000 ; Zou et al., 2010), aucune de ces méthodes n’a été intégrée dans les systèmes NIRS commercialisés, limitant ainsi l’utilisation de NIRS chez les sujets présentant une importante épaisseur du tissu adipeux sous cutané. D’autre part, les résultats consternant l’effet des changements de la circulation sanguine cutanée sur les paramètres NIRS sont controversés. En effet, il a été suggéré que les changements de la circulation sanguine cutanée n’influenceraient pas les paramètres NIRS au niveau musculaire même pendant l’exercice dynamique prolongé (Tew et al., 2010). Toutefois, au cours de l’exercice le signal NIRS pourrait être influencé par des changements du débit sanguin cutané au niveau du front (Miyazawa et al., 2013).

Une autre limite de la technique NIRS est l’incapacité d’explorer le cortex et les muscles profonds. En effet, la profondeur du signal NIRS dépend de nombreux facteurs (la distance émetteur-récepteur, la puissance de l’émetteur, la sensibilité du récepteur, les propriétés optiques de la zone de mesure, le degré de myélinisation de la substance blanche, l’épaisseur du tissu adipeux, etc.). Par conséquent, les mesures NIRS sont limitées au cortex

externe et aux muscles superficiels. D’autre part, un contact stable entre l’optode et la peau est essentiel pour les instruments NIRS à onde continu. En effet, les artefacts dus aux mouvements de la tête ou des muscles ainsi qu’un mauvais contact entre l’optode et la peau ne sont pas corrigés automatiquement par le logiciel. De plus, la NIRS à onde continue ne peut pas mesurer la longueur du trajet optique, et donc ne fournit pas de données quantitatives de tHb, HHb et O₂Hb. Les différences de trajet optique doivent être prises en considération lors de l’interprétation des données. Toutefois, l’utilisation de la NIRS résolue en temps ou résolue en fréquence permettrait la quantification des paramètres. Enfin, puisqu’aucune normalisation n’est disponible, la manière de traiter et d’analyser les paramètres NIRS peut modifier les résultats.

Malgré les limites de l’utilisation de la NIRS à onde contenu pendant l’exercice dynamique in vivo, des nombreux chercheurs ont utilisé cette technique pour évaluer les tendances de l’oxygénation et du volume sanguin au niveau musculaire et cérébral pendant l’exercice dynamique.