Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Longitudinal evaluation of sleep-related breathing disorders in an orthodontic population

Introduction: Les troubles respiratoires du sommeil (TRS), qui représentent une préoccupation croissante pour la santé, ont des effets significatifs sur la santé, le comportement et la performance académique chez l’enfant. Les malformations craniofaciales, l’hypertrophie adéno-amygdalienne et l'obésité, représentent des facteurs de risque importants dans le développement de cette condition. Les symptômes des TRS ont été étudiés dans une étude prospective chez les enfants et adolescents durant leur traitement orthodontique dans un milieu universitaire. Cette étude a cherché à décrire la prévalence et les facteurs de risque principaux des TRS, ainsi que l'impact des différentes interventions orthodontiques sur les symptômes TRS. Matériel et méthodes: dans une étude cohorte prospective, un groupe de 168 sujets âgés de 12 à 21 ans ont été soumis, quatre ans après la prise de données initiale, à un examen craniofacial en plus d'être administré des questionnaires qui ont recueilli des données sur la situation socio-démographique, le bruxisme et les troubles d’ATM, le sommeil et le comportement diurne, et les facteurs neuropsychologiques. Résultats: l'indice de masse corporelle a été augmenté mais est demeurée dans la même catégorie aux deux moments de l'enquête. Il ya eu une augmentation du serrement des dents et des symptômes de l'ATM, une diminution de la taille des amygdales, et une augmentation de la somnolence diurne. La prévalence des TRS n'a pas changé entre l’étude initiale et l’étude de suivi. Aucune intervention orthodontique s'est avérée avoir un effet cliniquement significatif sur les voies aériennes supérieures. Conclusions: la prévalence des symptômes TRS était constante par rapport aux valeurs de base pour la population étudiée, mais a augmenté si rapportée à la population générale. Les traitements orthodontiques ne montrent aucun effet sur les TRS. Mots-clés : apnée du sommeil, craniofacial, prévalence, ronflement, traitement orthodontique, voies aériennes supérieures

Sleep-disordered breathing in the child and adolescent orthodontic patient

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Post orthodontic effects of SARPE on sleep-disordered breathing in young adults as observed in a sleep laboratory

Introduction: L’expansion palatine du maxillaire a beaucoup d’effets positifs sur la respiration et la qualité du sommeil, mais peu d'études ont examiné ces données sur des adultes ayant dépassé l’âge permettant de bénéficier d'une expansion palatine conventionnelle. Le but de cette recherche est d’évaluer la stabilité de l’EPRAC (expansion palatine rapide assistée chirurgicalement) et son effet sur les troubles respiratoires après l’ablation des appareils orthodontiques. Méthodes: Neuf patients (Âge moyen 21, entre 16-39 ans) nécessitant une EPRAC ont passé des nuits dans un laboratoire de sommeil, et ce avant l’EPRAC, après l’EPRAC, et après l’ablation des appareils fixes. Les radiographies céphalométriques postéroantérieures ainsi que les modèles d’étude ont été pris pendant ces trois périodes de temps. Résultats: L’analyse des modèles d’étude a démontré une récidive significative au niveau des distances inter-molaires et inter-canines au niveau du maxillaire seulement. Les analyses céphalométriques ont démontré une récidive au niveau de la largeur maxillaire. Aucun changement important n'a été observé dans les stades de sommeil, mais une réduction importante dans l’index de ronflement a été notée. De plus, il y avait moins de changements entre les stades de sommeil. Conclusions: La récidive squelettique est minime et cliniquement non significative. Par contre, les changements dans les distances intermolaires et intercanines sont cliniquement importants. Il semble également qu'une EPRAC ait un effet positif sur la qualité de sommeil par la réduction de l’indice de ronflement ainsi que sur la diminution des changements entre les stades de sommeil.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.