La chaîne de stimulation

Le CENIR dispose de divers systèmes d'envoi de stimuli et d'enregistrement de données péri-IRM.
Voici un schéma du matériel de stimulation de base, utilisé dans quasiment tous les protocoles cognitifs :

http://www.cenir.org/images/articles/stimulation/Plan_stim_v4.jpg?600
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Pour tout renseignement complémentaire, question ou rectification, veuillez contacter les responsables stimulation du CENIR :
eric.bertasi at upmc.fr
fouzi.hida at upmc.fr

Principe de la chaîne de stimulation

La liste du matériel de stimulation disponible au CENIR grandit de mois en mois pour permettre d'aller toujours plus loin dans les projets d'études cognitives. La liste ci-dessous peut (et va) donc évoluer au fil du temps. Cependant, les principes et limitations de la stimulation en IRM ne varieront pas.

La stimulation en IRMf est constituée quelques points simples

1. Envoyer des stimuli via le matériel disponible
   
2. Enregistrer les réponses / données du sujet via le matériel disponible
   
3. Synchroniser les différents éléments utilisés dans un protocole donné : obtenir la même base de temps sur tous les enregistrements

Ce dernier point est réalisé à la fois par le logiciel de stimulation choisi et par la connectique entre les différents matériels d'enregistrements.

Limitations de la stimulation en IRM

Les contraintes liées à l'IRM limite le champ des possibles.

Tout d'abord, la tête (et par extension, les épaules) du sujet doit être parfaitement immobile lors des acquisitions IRM. Les tâches impliquant un effort intense, ou bien des mouvements rapides sont donc déconseillées.

Ensuite, Compte tenu de la disposition de l'IRM, le sujet doit s'allonger dans un tunnel étroit afin d'être scanné. Cette position limite les possibilités de d'exercice et de stimulation. En outre, l'exiguité du tunnel empêche de placer des dispositifs volumineux proche du sujet, et restreint d'autant la zone de projection vidéo.

Enfin, L'IRM est un aimant permanent très puissant. Par exemple, la machine du CENIR émet un champs magnétique de 3T, ce qui équivaut à 60000 fois celui de la Terre. La communication entre l'intérieur et l'extérieur de la salle IRM est gênée par ce milieu hautement magnétique. L'envoi et la réception de signaux entre l'intérieur et l'extérieur de la cage de Faraday peut s'effectuer de différentes manières :

1. Les signaux électriques doivent entrer ou sortir de la salle IRM via une plaque à filtres disposant des filtres adéquats. Le filtrage (le plus souvent passe-bas) est nécessaire pour ne pas faire entrer de trop hautes fréquences dans la salle d'acquisition et ainsi de créer des artefacts sur les images IRM.
2. Tous les autres types de signaux (optique, pneumatique, hydraulique, etc) peuvent passer par des guides d'ondes. Ceux-ci sont des discontinuités ponctuelles de la cage de Faraday, ils se présentent sous forme de tubes dont la longueur vaut au moins quatre fois le diamètre afin d'étouffer les ondes électromagnétiques qui tenteraient de s'échapper de la salle IRM ou bien d'y entrer.

Principe de synchronisation

Afin de synchroniser deux éléments de la chaîne de stimulation, un des éléments doit envoyer un signal à l'autre. L'esclave peut être paramétré soit pour démarrer lorsqu'il reçoit le signal, soit pour enregistrer l'instant précis du signal dans sa base temps, ce qui permettra a posteriori de resynchroniser les bases temps du maître et de l'esclave.

L'IRM du CENIR peut être utilisée en tant que maître et en tant qu'esclave d'une chaîne de synchronisation donnée. Nous avons choisi de l'utiliser exclusivement en tant que maître : c'est elle qui envoie des TTL de synchro dans les séquences qui le permettent (notamment l'EPI pour l'IRMf), et déclenche le déroulement de stimulation ou bien imprime son timing sous forme de marqueurs sur un enregistrement de données continu.

Synchronisation fine : le cas de l'EEG sous IRM

L'EEG et l'IRM sont deux techniques d'acquisition concurrentes : chacune utilise les ondes électromagnétique pour obtenir une carte des zones d'activations neuronales. Le système EEG enregistre les variations du champ électrique, produites par l'activation de groupes de neurones, au niveau du scalp, tandis que les séquences d'IRMf impliquent l'envoi d'ondes électromagnétiques d'amplitude bien supérieure. Il en résulte une énorme pollution du signal EEG par le signal IRM (l'inverse est également potentiellement vrai, mais il y a des dispositions à prendre pour minimiser les artefacts de l'EEG sur l'IRM) qu'il convient de corriger par la suite.

L'artefact produit sur le signal EEG est très reproductible si tant est qu'on réussisse se caler de façon très précise au niveau temporel. Pour se faire, on récupère l'horloge de l'IRM (sinus de fréquence 10 MHz) via un boîtier BrainAmp.

Le PC de stimulation

Généralités

Au centre d'une chaîne de stimulation nous avons le PC de stimulation. Il synchronise tout le matériel d'envoi de stimuli et de réception des réponses du sujet. Cet ordinateur n'a pas besoin d'être du "dernier cri" (ou bien il faudrait en changer tous les trois mois !) ; actuellement, un ordinateur d'entrée de gamme légèrement amélioré dans certains domaines fait très bien l'affaire.

Il convient cependant de bien veiller à :

• La quantité de mémoire RAM : importante pour les gros volumes de stimuli (vidéos, sons wave, etc.). Conseil = 1-2 Go.
• La vitesse de rotation du disque dur : important pour accéder durant une stimulation aux fichiers non encore chargés en mémoire. Conseil = 7200-10000 tr/min.
• La possibilité de créer un "bureau étendu" via une carte graphique supportant le double écran : Cela facilite grandement l'utilisation, un écran pour la stimulation visuelle, un autre pour des informations à l'intention de l'expérimentateur (résultats du sujet, avancement du programme, etc.)
• Disposer de beaucoup de connectique, aussi bien ancienne que récente : les ports parallèle et série sont en passe de disparaître, aussi, lors de l'achat d'un ordinateur, il faut les demander expressément pour être sûr de les avoir. Il faut également avoir assez de ports USB2 et pourquoi pas une entrée DVI pour la numérisation vidéo. Il faut évidemment la connectique minimale pour interfacer le matériel déjà disponible, et prévoir quelques bus PCI libres à l'intérieur de l'ordinateur pour pallier aux besoins futurs (Ex : une carte d'acquisition de signaux analogiques).
• Avoir un bon antivirus installé qui puisse être désactivé durant une séquence de stimulation (Norton et ses petits messages survenant aléatoirement sont donc proscrits !) : les utilisateurs se succèderont devant le PC de stimulation avec leurs clés USB et leurs disques durs portables potentiellement infectés et ils ne seront pas tous aussi soigneux et conscient des risques que ne le sont les personnes en charge du PC de stimulation.

Au CENIR

Le PC de stimulation du CENIR dispose des connecteurs de base (parallèle, série, USB2), ainsi que de divers périphériques pour recueillir des signaux plus exotiques dans l'univers de l'informatique : une carte NI ainsi qu'un CED pour numériser des signaux électriques analogiques.

L'ordinateur de stimulation est synchronisé avec l'IRM via une sortie TTL optique convertie en signal électrique, lui-même réceptionné par le fORP. Dans la grande majorité des protocoles expérimentaux, un seul ordinateur est suffisant pour la stimulation. Dans certains cas particuliers (logiciel d'enregistrement de données trop groumand en processeur et en mémoire, etc.), il en faudra plusieurs et il est alors impératif de bien veiller à ce que la base de temps de chaque stimulation et de chaque enregistrement soit calés, ou bien recalable a posteriori. On peut soit envoyer le signal TTL sur chacun des ordinateurs, soit faire communiquer les ordinateurs entre eux (au moyen de signaux issus du port parallèle, du réseau ou bien d'une liaison série NullModem, par exemple).

Le matériel de stimulation disponible

Projection vidéo

Le CENIR possède un vidéoprojecteur situé hors de la cage de Faraday. Il est donc impossible que son fonctionnement génère des artefacts sur les images IRM acquises et se trouve à l'abri du champ magnétique.
La projection s'effectue par l'arrière du tunnel IRM où se trouve un écran de projection semi-opaque.

Le CENIR a cherché la configuration optimale afin de projeter le plus grand et le plus net possible. Les paramètres de projection sont fixes afin d'assurer, pour chaque étude, que tous les sujets auront été stimulés dans les mêmes conditions.

Accéder à la page sur la stimulation vidéo

Le système audio

Un système audio est installé en plus du matériel par défaut de Siemens. Il est piloté par une carte son USB reconnue par tous les ordinateurs et se révèle donc très pratique d'utilisation.
Le matériel audio nous sert principalement à communiquer avec un sujet dans la machine et à envoyer des stimulations auditives.

Le système est articulé autour d'un amplificateur de très bonne qualité, permettant d'atténuer le son ou de l'amplifier dans des proportions raisonnables sans saturation.

Accéder à la page sur la stimulation auditive

La TMS compatible IRM

Le CENIR est en train de se doter d'un système de TMS compatible IRM qui permettra de :

• stimuler un sujet en dehors de la machine avant acquisition IRM
• stimuler un sujet directement dans l'aimant (pendant une séquence IRMf dans le cas d'études de TMS sous IRM

Accéder à la page sur la stimulation magnétique transcrânienne (TMS)

Le matériel de recueil de données péri-IRM

Les boutons réponse

Un système de boîtiers réponse à fibres optiques est disponible. Celui-ci est également au centre de la synchronisation de quasiment tous les protocoles.

Des capteurs de pression pneumatiques sont également utilisables dans le cadre de tâches fonctionnelles.

Accéder à la page sur les boutons réponse

L'acquisition vidéo dans l'IRM

Le CENIR dispose d'une caméra vidéo blindée capable de filmer dans l'axe du tunnel, par l'avant de la machine (donc par les pieds du sujet).

Accéder à la page sur l'acquisition vidéo dans l'IRM

Le suivi de mouvements oculaires

Un système de suivi de mouvements oculaires est disponible. Il filme l'oeil du sujet à longue distance (4 mètres) en l'illuminant avec des infrarouges. Le signal est alors traité, en temps réel, dans un bloc synchronisable par une entrée parallèle.

Accéder à la page sur l'eye tracker

Les signaux électrophysiologiques

Un système de capteurs physiologiques compatibles IRM permet d'acquérir :

• L'électrocardiogramme
• L'électromyogramme
• La réponse électrodermale
• La courbe de respiration

Le système est actuellement en train d'être installé et testé.

Accéder à la page sur l'acquisition des données physiologiques

L'électroencéphalographie sous IRM

Un système complet d'EEG sous IRM (64 voies) peut nous être prêté par le LENA (CNRS UPR640).

Accéder à la page sur l'EEG sous IRM