Techniques de spectroscopie proche infrarouge et analyses dans le plan temps-fréquence appliquées à l’évaluation hémodynamique du très grand prématuré

Abstract

Ce mémoire est divisé en deux parties principales qui portent sur 1) la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) et l’analyse de son signal, et 2) le design et le développement d’une sonde NIRS multimodale destinée à la mesure du métabolisme cérébral chez le nouveau-né. La NIRS repose sur la mesure des propriétés optiques d’un tissu, principalement l’absorption (μa) et la diffusion (μs') de la lumière à travers le tissu. Ces propriétés optiques sont par la suite utilisées pour déterminer les concentrations de l’hémoglobine oxygénée et désoxygénée du tissu. Ces techniques ont un potentiel élevé pour monitorer la santé cérébrale au chevet du nouveau-né. La première partie du mémoire porte sur la description de techniques NIRS particulièrement utiles pour les applications néonatales. Ces modalités permettent entre autres d’extraire la saturation de l’hémoglobine en oxygène et la perfusion systémique du tissu. Ces paramètres ont été mesurés chez le très grand prématuré et ont permis de démontrer des différences significatives entre des enfants souffrant de complications hémorragiques et des enfants sains contrôles. Ces comparaisons ont été observées à l’aide d’une analyse en ondelettes exploitant le plan temps-fréquence. Alors que le Chapitre 1 détaille le fonctionnement des technologies NIRS et les méthodes d’analyse dans le plan temps-fréquence, les résultats de l’étude chez le très grand prématuré sont décrits dans le Chapitre 2 qui présente la version de l’article soumis à la revue Scientific Reports (Nature Publishing Group). Le Chapitre 3 présente une discussion générale sur cette étude et le contenu du Chapitre 1 et 2. La seconde partie du mémoire (Chapitre 4) porte sur le design et le développement d’une sonde multimodale combinant la NIRS résolue en fréquence et la spectroscopie de corrélation diffuse. La sonde permet la mesure de la saturation de l’hémoglobine cérébrale en oxygène et un indice de flux sanguin cérébral qui servent à dériver un indice du métabolisme cérébral. Cette sonde est destinée au monitoring de la santé cérébrale au chevet du nouveau-né.

This master’s thesis is divided into two main sections discussing 1) near infrared spectroscopy (NIRS) techniques and signal analysis, and 2) the design and development of a multimodal NIRS probe to measure cerebral oxygen metabolism in newborns. NIRS is based on the measure of the optical properties of biological tissue, namely the absorption (μa) and scattering (μs') coefficients. These coefficients allow the estimation of oxy- and deoxyhemoglobin concentrations in the tissue. These optical techniques have great potential to monitor brain health in neonate at the bedside. The first part of the master’s thesis describes specific NIRS techniques used for neonatal applications. These modalities measure the hemoglobin oxygen saturation and peripheral systemic perfusion. Both parameters have been monitored in extremely preterm infants and showed significant differences in infants with hemorrhages compared to healthy controls. These differences were observed in the time-frequency domain with the use of wavelets analysis. Chapter 1 details the theory behind NIRS and the wavelets time-frequency analysis. The results of the study are presented in Chapter 2, in the form of a manuscript submitted to the Scientific Reports (Nature Publishing Group). Chapter 3 proposed a general and extended discussion on the results of the study as well as a return on Chapter 1 and Chapter 2. The second part of the master’s thesis (Chapter 4) details the design and development of a multimodal probe combing frequency-domain NIRS and diffuse correlation spectroscopy. The probe allows the measure of cerebral hemoglobin oxygen saturation and an index of cerebral blood flow. Both of these parameters serve to estimate an index of cerebral oxygen metabolism. The probe was designed for bedside monitoring of brain health in neonate.