Traitement des données de volumétrie cérébrale

Les données de volumétrie cérébrale ont été traitées par un logiciel de segmentation cérébrale semi-automatique Morphobox (157). Ce traitement a permis d’obtenir le volume global de matière grise, matière blanche, le volume total intracrânien, le volume lésionnel en hyposignal T1 de la substance blanche et également le volume de matière grise et blanche par régions d’intérêt.

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L’acquisition des données a été réalisée en utilisant une imagerie écho-planar pondérée T2, couvrant le cerveau entier, TE= 20ms; FOV=230mm; TR = 3000 ms, taille de matrice : 72X72, taille du voxel : 3X3X3.2mm3 ; 44 coupes, épaisseur de coupe : 3mm, 262 volumes d’acquisition. Un TOF a également été réalisé, pour s’affranchir de l’existence d’anomalies sténo occlusives pouvant modifier l’interprétation de la vasoréactivité cérébrale, dont les paramètres sont les suivants : FoV=220mm, taille du voxel 0,3X0, 3X0, 8mm, TR=21ms, TE=3,43ms.

La mesure du signal BOLD avant/pendant l’inhalation d’un gaz enrichi en CO2 a permis d’estimer la vasoréactivité cérébrale (CVR) .Tous les sujets inhalaient par alternance de l’air et un gaz correspondant à de l’air enrichi en CO2 (72% azote, 20% O2, 8% de CO2) appelé BACTAL® 4 : il s’agissait du stimulus vasodilatateur choisi dans cette étude. Le paradigme d’inhalation durait 12 minutes, et était divisé en « bloc de temps » correspondant à l’alternance d’inhalation des deux gaz, (figure 4): 1 minutes d’air, 2 minutes de Bactal, 2 minutes d’air, 2 minutes de Bactal, 2 min d’air, 2 minutes de Bactal, 1 minute d’air. Les sujets respiraient les deux gaz avec un masque à haute concentration, le débit de l’air était environ de 10l/min, et de 6L/min pour le Bactal.

Figure 4 : paradigme d’inhalation

Ce paradigme reprend celui de plusieurs études déjà réalisées en vasoréactivité cérébrale (Krainik et al. 2013). En abscisse est représenté l’axe du temps, en ordonnée le taux de fraction expirée de CO2 selon l’inhalation d’air ou de BACTAL®

Un système Maglife permettait de mesurer tout au long de l’imagerie certains paramètres physiologiques tels que S02, EtCO2, mesure de la fréquence cardiaque et de la fréquence respiratoire. Le respect du paradigme d’inhalation était vérifié grâce à l’enregistrement de la fraction expirée de CO2 (EtCO2) durant la séquence de mesure de la vasoréactivité cérébrale. Le paradigme d’inhalation était considéré comme bien respecté si l’on pouvait individualiser sur le tracé de l’ETCO2 (enregistré sur un fichier Excel en temps réel pendant la séquence de mesure de la vasoréactivité) (figure 5).

Figure 5 : Vérification du respect du paradigme d’inhalation. Pour chaque sujet, le système maglife permettait d’enregistrer sur un fichier excel en temps réel les données physiologiques du sujet lors de l’inhalation des gaz. A partir de ce fichier excel on obtient un graphique représentant en ordonnée le taux d’EtCO2 en fonction du temps. On retrouve ici les trois blocs correspondant à l’inhalation de BACTAL®

Le respect du paradigme d’inhalation est une condition nécessaire à l’interprétation de la mesure de la vasoréactivité cérébrale. Si le paramètre d’inhalation n’était pas correct, les images issues de la mesure de la vasoréactivité cérébrale n’étaient pas traitées en imagerie.

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Le post traitement des données de vasoréactivité à été réalisé sous matlab en utilisant la tool box SPM 12 (Wellcome Department of cognitive Neurology, London, UK), dans le centre du groupement d’imagerie médicale, à Grenoble (GIM) (Pr Krainik). Le prétraitement comprend la correction de mouvement et une normalisation spatiale DARTEL (155), suivi d’un lissage via un kernel de 8mm.

La matière grise et la matière blanche cérébrale ont été segmentées, et ont permis d’extraire un masque de matière grise par seuillage des cartographies individuelles normalisées et lissées.

Les analyses de premier niveau concernaient l’étude de la réponse BOLD à l’hypercapnie en utilisant le modèle linéaire général avec un régresseur standard. Ce régresseur correspond à la variation d’ETCO2 moyenne pendant le paradigme d’inhalation décrit ci-dessus établi sur une population étalon. (Figure 6)

Figure 6 : régresseur commun utilisé lors de la vasoréactivité pour les sujets.

L’ordonnée correspond à la variation d’EtCO2 enregistrée sur une population étalon en fonction du temps (sec) en abscisse.

Le GLM est un modèle mathématique, qui a été utilisé pour traiter les données d’imagerie. Il correspond à la formule théorique suivante :

GLM = α X β

Ou alpha représente une constante, et Beta l’effet du régresseur, ici la tâche de vasoréactivité

Le coefficient β peut être compris comme la variation de signal BOLD par rapport à la variation d’EtCO2 enregistrée, selon la formule suivante :

Les valeurs de β sont ensuite extraites par régions d’intérêt et de façon globale et comparées entre les groupes de sujets. Sur la base de ce GLM, des cartographies β correspondant à l’effet de la tâche de vasoréactivité sont générées. (Figure 7)

Figure 7 : Cartographie étudiant le coefficient β, représentant les variations du signal BOLD en fonction de la variation de l’EtCO2, pour chaque sujet. La valeur absolue de la variation du coefficient β est représentée selon une échelle de couleur ; selon l’intensité de la variation de β durant la tâche de vasoréactivité.

Les régions d’intérêt choisies sont dérivées de l’atlas AAL (précédemment décrit et utilisé dans la partie ASL), et comprennent les territoires cérébraux suivants : matière grise frontale, pariétale, temporale et occipitale, cingulum, insula, striatum et thalamus bilatéraux, soit 16 ROI au total. Les ROI droite et gauche dans chaque région cérébrale ont ensuite été poolées ensemble pour obtenir au final 8 régions d’intérêt (ROIs).

Figure 8 : cartographie des Régions d’intérêt utilisées pour l’analyse de la vasoréactivité cérébrale. La région frontale est représentée en jaune, le lobe pariétal en rouge, le lobe occipital en bleu foncé, le lobe temporal en vert, l’insula en marron, le striatum en beige, les thalamus en rose fushia, le cingulum est représenté en bleu clair.

Les sujets ayant des artéfacts de mouvements céphaliques importants ont été enlevés de l’analyse des résultats., ainsi que ceux pour lesquels le paradigme d’inhalation n’a pas été respecté (courbe d’EtCO2 au cours du temps ne montrant pas les trois blocs correspondant à l’inhalation de BACTAL®). Ensuite, pour juger de la qualité de la cartographie β obtenue, chaque donnée individuelle a été examinée

évaluée à l’aide d’une échelle quantitative visuelle ( figure 9), ainsi que sa symétrie en considérant les données du TOF. Les deux examinateurs décidaient ensuite consensuellement si une cartographie β devait être exclue.

Figure 9 : Exemple d’analyse visuelle qualitative concernant deux

cartographies β. La cartographie A est jugée pertinente ( gradient de couleur jaune

rouge, symétrie). Les cartes B et C sont jugées non pertinentes. B : gradient de couleur bleu, correspondant à peu/ pas de variation du signal BOLD en fonction de l’EtCO2. C : asymétrie importante des deux hémisphères sans explication sur le TOF.