Paradigme de mesure en imagerie fonctionnelle

Le paradigme de mesure utilisé pour la mise en évidence de la variation d'impédance conjointe à la propagation de potentiels d'action composites (cap) trouve son origine dans les travaux de Holder [135]. Les principaux concepts mis en ÷uvre pour l'enregistrement sont présentés :

 répétition de la séquence de stimulation pour le déclenchement de cap de manière à pouvoir eectuer une moyenne sur les diérents enregistrements correspondants et limiter l'inuence du bruit ambiant ;

 couplage de deux enregistrements avec des polarités de la source eit inversées an de soustraire l'activité endogène des enregistrements ;

Les mesures expérimentales correspondantes sont réalisées sur le nerf moteur de la jambe du crabe, amyélinique, placé dans une solution de Ringer à 4◦[135], Fig. 5.1. Une distance de 6 mm sépare chacune des quatre électrodes utilisées pour la mesure de transimpédance (D1 et D2 pour l'injection de courant, R1 et R2 pour suivre la variation de tension), et les enregistrements sont répétés 128 fois.

(a) Bloc diagramme pour l'enregistrement longitudinal (b) Séquences temporelles pour les mesures en DC

Figure 5.1  Dispositif expérimental pour la mise en évidence de la variation d'impédance suite à une activité évoquée sur le nerf moteur de la jambe du crabe ; la diérence de potentiel est déterminée par la diérence de deux enregistrements couplés pour les mesures en DC ; d'après [135].

La variation d'impédance est étudiée dans deux congurations, longitudinale et transverse. En DC, une décroissance signicative de la diérence de potentiel mesurée est déterminée, dans les deux congurations de mesure, Fig. 5.2. En revanche, à 50 kHz, aucun changement d'impédance supérieur à la ligne de base au repos n'est observé.

Figure 5.2  Diérence de potentiel mesurée en DC, et enregistrement simultané des cap en conguration longitudinale (gauche) et transverse (droite) ; d'après [135].

Les travaux de Boone [35] font évoluer la conguration de mesure longitudinale. L'arrangement des électrodes dédiées à la mesure d'impédance est modié, Fig. 5.3 ; ce dernier sera conservé par l'ensemble des travaux de l'équipe de Holder par la suite. Il correspond à une mesure d'impédance à 4 points non standard. L'électrode d'enregistrement R2 est placée distante de manière à ce que le courant appliqué ne modie pas les caractéristiques du cap mesuré [201]. La distance entre R1 et le courant d'excitation est limitée par le besoin d'être aussi proche que possible du stimulus, ceci an de diminuer les eets de dispersion du cap qui réduit considérablement le changement de résistance pour une distance supérieure à 16 mm du stimulus [35].

Cet arrangement d'électrode a été choisi pour limiter l'artefact dû au cap lorsque des enregistrements couplés sont soustraits pour éliminer l'activité endogène, dont le cap :

 l'électrode proximale pour la mesure de la tension est placée en amont du courant d'excitation, de telle sorte qu'elle n'est pas aectée par l'excitation ;

 l'électrode distale pour la mesure de la tension est placée loin du stimulus de telle sorte qu'elle n'enregistre aucun cap signicatif, dû à sa dispersion temporelle.

L'utilisation de 500 répétitions pour les mesures a conrmé une variation de résistance longitudinale de l'ordre de 1 % [35].

Figure 5.3  Conguration d'enregistrement longitudinal sur un échantillon de nerf de crabe, avec les électrodes de stimulation S1 et S2, les électrodes d'injection du courant eit D1 et D2, les électrodes d'enregistrement R1 et R2 et la référence G les distances d'intérêt sont précisées en mm ; d'après [101].

Les travaux de Gilad [36, 101] améliorent la technique d'enregistrement et visent à former un signal exempt de l'activité évoquée et endogène qui se traduisent par des variations de tension mesurée dans la même gamme de fréquence que la variation d'impédance.

Le principe de la méthode mise en avant consiste à injecter un signal créneau (onde carrée à 1 Hz) de courant constant, et d'estimer les variations de résistance résultantes aux électrodes du voisinage. Le principe mis en ÷uvre se fonde sur l'hypothèse que l'activité évoquée n'est pas perturbée par le courant eit utilisé pour sonder le milieu. La transduction de la variation d'impédance est réalisée par modulation d'amplitude du signal eit injecté pour sonder le milieu.

En référence à la Fig. 5.4a, le signal est interprété selon diérentes contributions :

1. le créneau de courant appliqué comprend deux polarités, une valeur positive et une valeur néga-tive ;

2. pour chaque alternance, une activité est évoquée 150 ms après chaque front du créneau ; cela induit une réponse fonctionnelle, cap, qui peut être mesurée (en rouge) ;

3. suite à l'activité évoquée, une décroissance de résistance associée au cap a lieu : elle module l'amplitude du signal carré en tension ;

4. la prise en compte de l'ensemble de ces éléments permet d'expliquer le signal enregistré : la som-mation du créneau en tension et de l'activité évoquée mène au signal en pointillés rouges, mais la variation d'impédance conjointe modie ce signal pour obtenir celui tracé en traits pleins.

(a) Signal composite enregistré contenant les variations de résis-tances induites et l'activité évoquée

(b) Déduction des signaux d'intérêt d'après les enre-gistrements contrôle et actif

Figure 5.4  Méthodologie d'extraction de la variation d'impédance, conjointe à l'activité évoquée, suite à l'injection d'un signal créneau ; suppléments d'explications dans le texte ; d'après [101].

An de retrouver la variation d'impédance et les cap, le signal enregistré s'écrit sous la forme d'une somme d'un créneau (b) modulé en amplitude (m) et des cap, Eqn. 5.1, dans les deux polarités du courant eit.

rec_polar+= b ∗ (1 − m) +cap rec_polar− = b ∗ (1 + m) +cap (5.1) Par diérence du signal entre les deux polarités, la variation d'impédance peut être ex-traite, alors qu'une sommation permet de retrouver les cap. Cette procédure est appliquée sur les enregistrements contrôle, i.e. sans stimulation, et actif, Fig. 5.4b. La soustraction entre les résultats respectifs ore la possibilité de déduire variation d'impédance et cap.

Les travaux de Gilad et Oh complètent le développement de la technique de mesure par l'étude des eets liés à la fréquence du signal eit [102, 199]. En particulier, ils montrent que, contrairement aux prédictions des modèles théoriques évoqués au chapitre 1, la variation d'impédance ne chute pas drastiquement avec l'augmentation de la fréquence : elle est toujours visible au-delà de 1 kHz. Ils proposent alors une méthode pour mettre en évidence la variation d'impédance, dérivée de la méthode expliquée ci-dessus (créneaux de courant), à partir de l'utilisation de sinusoïdes de fréquence comprise entre 100 Hz et 5 kHz, Fig. 5.5.

Figure 5.5  Méthodologie d'extraction de la variation d'impédance, conjointe à l'activité évoquée, suite à l'injection d'un signal sinusoïdal ; d'après [199].

Le principe d'extraction du signal est similaire, avec deux polarités de source sinusoïdale mises en ÷uvre (sinusoïdes déphasées de 180◦). La modulation d'amplitude de la sinusoïde injectée, qui fait oce de porteuse, permet d'extraire les informations recherchées, Eqn. 5.2.

rec_polar+(t) = V_c∗ (1 + AMδZ(t)) sin(2πf_ct) +cap(t)

rec_polar−(t) = −Vc∗ (1 + AMδZ(t)) sin(2πfct) +cap(t) ^(5.2)