Ce mémoire est séparé en deux volets, tous deux axés sur la spectroscopie proche infra-rouge (NIRS) pour la quantification des paramètres hémodynamiques. La NIRS est principalement basée sur la mesure des coefficients d'absorption (μa) et de dispersion (μs’) des tissus afin de retrouver les concentrations d'oxy- et de déoxyhémoglobine dans le sang. L'imagerie à l'aide de la NIRS est basée sur le parcours des photons à travers le tissu biologique à différentes longueurs d'onde du spectre proche infra-rouge. Le premier appareil de NIRS dont il sera question est un appareil de spectroscopie résolue dans le temps. Ce type de système retrouve des concentrations absolues d'hémoglobine à l'aide d'un bandeau placé sur la peau d’un sujet, dans ce cas-ci sur le front. Le modèle d’analyse des données permet la séparation des contributions extra-cérébrales et cérébrales aux données. Cette méthode fournit des données plus exactes sur la saturation en oxygène du cerveau, par rapport à un modèle homogène où le signal est contaminé par les couches superficielles. Une étude sur les changements hémodynamiques cérébraux de jeunes adultes pendant une activité physique a été réalisée, et l’article en détaillant les résultats est transcrit au chapitre 2. Le chapitre 3 comprend un retour sur cette étude et aborde les possibilités de travaux futurs. La seconde partie de mes travaux s’est déroulée sous forme de stage en entreprise durant l’été 2016. Sous la supervision de Dennis Hueber, Ph. D., et Beniamino Barbieri, Ph. D., j’ai effectué des recherches portant sur un appareil de NIRS manufacturé par la compagnie ISS Inc. et dont un prototype se trouve actuellement dans le laboratoire de mon superviseur Mathieu Dehaes, Ph. D. Cet appareil combine deux modalités d’imagerie optique, soit la NIRS dans le domaine des fréquences et la spectroscopie de corrélation diffuse. Le chapitre 4 détaille les tâches que j’ai réalisées durant ce temps, de même que les résultats des analyses que j’ai effectuées. / This master’s thesis is separated in two phases, both focused on near infrared spectroscopy for the quantification of hemodynamic parameters. NIRS is based on the measure of absorption (μa) and scattering (μs’) coefficients of tissues in order to recover the oxy- and deoxyhemoglobin concentrations in the blood. Its results are based on the photon propagation in tissue at different near-infrared wavelengths. The first NIRS system used during my studies is a time-resolved spectroscopy system. This device allowed us to retrieve absolute hemoglobin concentrations using a headband placed over the subject’s skin and centered on their forehead. The data analysis model which we used allowed us to separate extra-cerebral and cerebral contributions of the signal. This method yielded quantitative absolute measures of cerebral oxygen saturation as opposed to the traditional homogenous model where the signal is contaminated by superficial layers. A study on cerebral hemodynamic changes in young adults during exercise was conducted, and the published article detailing its results is transcribed in Chapter 2. Chapter 3 includes a review of this study and discusses potential future works. The second part of my research consisted in an industrial internship during the summer of 2016. Under the supervision of Dennis Hueber, Ph. D., and Beniamino Barbieri, Ph. D., I have worked on a NIRS device manufactured by ISS Inc., a prototype of which is currently in the laboratory of my supervisor Mathieu Dehaes, Ph. D. This device combines two NIRS modalities: frequency-domain NIRS and diffuse correlation spectroscopy. Chapter 4 details the work I have performed at ISS and the results of my research and analysis.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est désormais une modalité d’imagerie médicale fonctionnelle reconnue. L’une des applications les plus répandues de cette technique est celle de l’imagerie fonctionnelle cérébrale chez l’Homme. En effet, cette technique présente de nombreux avantages, notamment grâce à la richesse des contrastes optiques accessibles. Néanmoins, certains verrous subsistent et freinent le développement de son utilisation, spécialement pour des applications chez l’Homme adulte en clinique ou dans des conditions particulières comme lors du suivi de l’activité sportive. En effet, le signal optique mesuré contient des informations venant de différentes profondeurs de la tête, et donc de différents types de tissus comme la peau ou le cerveau. Or, la réponse d’intérêt étant celle du cerveau, la réponse de la peau peut dégrader l’information recherchée. Dans ce contexte, ces travaux portent sur le développement d’un nouvel instrument de TOD permettant d’acquérir les dimensions spatiale, spectrale et de temps de vol du photon de façon simultanée, et ce à haute fréquence d’acquisition. Au cours de cette thèse, l’instrument a été développé et caractérisé sur fantôme optique. Ensuite, il a été validé in-vivo chez l’Homme adulte, notamment en détectant l’activité du cortex préfrontal en réponse à une tâche de calcul simple. Les informations multidimensionnelles acquises par notre système ont permis d’améliorer la séparation des contributions des différents tissus (Peau/Cerveau). Elles ont également permis de différencier la signature de la réponse physiologique de ces tissus, notamment en permettant de détecter les variations de concentration en Cytochrome-c-oxydase. Parallèlement à ce développement instrumental, des simulations Monte-Carlo de la propagation de la lumière dans un modèle anatomique de tête ont été effectuées. Ces simulations ont permis de mieux comprendre la propagation de la lumière dans les tissus en fonction de la longueur d’onde et de valider la pertinence de cette approche multidimensionnelle. Les perspectives de ces travaux de thèse se dirigent vers l’utilisation de cet instrument pour le suivi de la réponse du cerveau chez l’Homme adulte lors de différentes sollicitations comme des stimulations de TDCS, ou en réponse à une activité sportive. / The Diffuse Optical Tomography (DOT) is now a relevant tool for the functional medical imaging. One of the most widespread application of this technic is the imaging of the human brain function. Indeed, this technic has numerous advantages, especially the richness of the optical contrast accessible. Nevertheless, some drawbacks are curbing the use of the technic, especially for applications on adults in clinics or in particular environment like in the monitoring of sports activity. Indeed, the measured signal contains information coming from different depths of the head, so it contains different tissues types like skin and brain. Yet, the response of interest is the one of the brain, and the one of the skin is blurring it. In this context, this work is about the development of a new instrument of DOT capable of acquiring spatial and spectral information, as well as the arrival time of photons simultaneously and at a high acquisition speed. During the PhD thesis the instrument has been developed and characterised on optical phantoms. Then, it has been validated in-vivo on adults, especially by detecting the cortical activation of the prefrontal cortex, in response to a simple calculation task. Multidimensional information acquired by our system allowed us to better distinguish between superficial and deep layers. It also allowed us to distinguish between the physiological signature of those tissues, and especially to detect the variations of concentration in Cytochrom-c-oxydase. Concurrently to this experimental work, Monte-Carlo simulation of light propagation in a model off a human head has been done. Those simulations allowed us to better understand the light propagation in tissues as function as their wavelength, and to validate the relevance of our multidimensional approach. Perspectives of this work is to use the developed instrument to monitor the brain’s response of the Human adult to several solicitations like tDCS stimulation, or sports activity.

Des immunoadsorbeurs ont été développés à partir de disques CIM monolithiques pour l'analyse de biomarqueurs impliqués dans des maladies cardio-vasculaires. Les colonnes développées ont permis d'isoler sélectivement la myoglobine et le NT-proBNP du sérum humain. Les colonnes anti-NT-proBNP ont permis l'isolation quantitative du NT-proBNP (R2=0,998) à des concentrations jusqu'à 750 amol/μL de sérum.<br />Six matériaux à accès restreints ont été évalués en fonction de leur aptitude à exclure l'hémoglobine d'hémolysats sanguins. Des injections à différents pH ont montré que la rétention de l'hémoglobine est drastiquement restreinte à pH 10,7. En raison d'une bonne stabilité à pH basique, la colonne polymérique Biotrap 500 MS RAM a été retenue pour l'extraction d'antibiotiques d'hémolysats sanguins. Des extractions quantitatives d'analytes à faibles concentrations (200 pg/μL) ont été réalisées sans effet mémoire d'hémoglobine sur la colonne.<br />Un nouveau système 2D-HPLC-ESI-MS/MS pour l'analyse protéomique a été développé. Le système est composé d'une séparation par RP-HPLC à pH 10,0, suivie d'une séparation par IP-RP-HPLC à pH 2,1. Ce nouveau système a été comparé à un système conventionnel SCX x IP-RP-HPLC. L'orthogonalité des méthodes de séparation est plus élevée dans l'approche SCX x IP-RP-HPLC que dans le schéma RP x IP-RP-HPLC. Cependant, en raison d'une meilleure distribution des peptides et d'une meilleure efficacité de séparation, le système RP x IP-RP-HPLC permet d'identifier significativement plus de peptides. Les deux approches sont complémentaires et une combinaison des deux systèmes permet d'identifier plus de peptides que des analyses répétées par un système unique.

L’anémie est fréquente chez les patients pédiatriques en postopératoire de chirurgie cardiaque. Malgré le nombre important de patients transfusés, le taux d’hémoglobine (Hb) pour lequel les bénéfices surpassent les risques est inconnu chez ces patients. Récemment, Lacroix et al. ont démontré qu’une stratégie transfusionnelle restrictive n’était pas inférieure à une stratégie libérale en ce qui concerne le développement ou la progression du syndrome de défaillance multiviscérale (SDMV) et la mortalité chez les patients de soins intensifs pédiatriques (SIP).Devant le manque d’évidence, une analyse de sous-groupes des patients en postopératoire de chirurgie cardiaque de l’étude Transfusion Requirements in Pediatric Intensive Care (TRIPICU) a été réalisée. L’objectif de cette étude était de déterminer l’impact d’une stratégie transfusionnelle restrictive comparée à une stratégie libérale sur l’acquisition ou l’aggravation du syndrome de défaillance multiviscérale (SDMV) chez les enfants en postopératoire de chirurgie cardiaque. Cette étude n’a pas démontré de différences statistiquement, ni cliniquement significatives du nombre de patients ayant acquis ou aggravés un SDMV, ni des issues secondaires entre les stratégies transfusionnelles restrictive et libérale. L’analyse de sous-groupes permet de générer une hypothèse de recherche et les résultats devraient être confirmés par un essai randomisé contrôlé. / Anemia is frequent in pediatric patients following cardiac surgery. Despite frequent transfusions, the optimal hemoglobin threshold where benefits surpass risks is still unknown for these patients. Recently, Lacroix et al. showed that a restrictive transfusion strategy was not inferior to a liberal strategy concerning the development or progression of multiple organ dysfunction syndrome (MODS) and mortality in pediatric intensive care patients. In the absence of evidence, the aim of this study was to determine the impact of a restrictive versus a liberal transfusion strategy on new or progressive multiple organ dysfunction syndrome (MODS) in children following cardiac surgery. We conducted a subgroup analysis of the postoperative cardiac surgery patients of the Transfusion Requirements in Pediatric Intensive Care Unit (TRIPICU) study. Our study showed no statistically and clinically significant differences in the number of patients who acquired or worsened MODS, nor secondary outcomes between a restrictive and a liberal transfusion strategy. This subgroup analysis generates a research hypothesis that should be confirmed by a randomized controlled trial.

L’anémie est fréquente chez les patients pédiatriques en postopératoire de chirurgie cardiaque. Malgré le nombre important de patients transfusés, le taux d’hémoglobine (Hb) pour lequel les bénéfices surpassent les risques est inconnu chez ces patients. Récemment, Lacroix et al. ont démontré qu’une stratégie transfusionnelle restrictive n’était pas inférieure à une stratégie libérale en ce qui concerne le développement ou la progression du syndrome de défaillance multiviscérale (SDMV) et la mortalité chez les patients de soins intensifs pédiatriques (SIP).Devant le manque d’évidence, une analyse de sous-groupes des patients en postopératoire de chirurgie cardiaque de l’étude Transfusion Requirements in Pediatric Intensive Care (TRIPICU) a été réalisée. L’objectif de cette étude était de déterminer l’impact d’une stratégie transfusionnelle restrictive comparée à une stratégie libérale sur l’acquisition ou l’aggravation du syndrome de défaillance multiviscérale (SDMV) chez les enfants en postopératoire de chirurgie cardiaque. Cette étude n’a pas démontré de différences statistiquement, ni cliniquement significatives du nombre de patients ayant acquis ou aggravés un SDMV, ni des issues secondaires entre les stratégies transfusionnelles restrictive et libérale. L’analyse de sous-groupes permet de générer une hypothèse de recherche et les résultats devraient être confirmés par un essai randomisé contrôlé. / Anemia is frequent in pediatric patients following cardiac surgery. Despite frequent transfusions, the optimal hemoglobin threshold where benefits surpass risks is still unknown for these patients. Recently, Lacroix et al. showed that a restrictive transfusion strategy was not inferior to a liberal strategy concerning the development or progression of multiple organ dysfunction syndrome (MODS) and mortality in pediatric intensive care patients. In the absence of evidence, the aim of this study was to determine the impact of a restrictive versus a liberal transfusion strategy on new or progressive multiple organ dysfunction syndrome (MODS) in children following cardiac surgery. We conducted a subgroup analysis of the postoperative cardiac surgery patients of the Transfusion Requirements in Pediatric Intensive Care Unit (TRIPICU) study. Our study showed no statistically and clinically significant differences in the number of patients who acquired or worsened MODS, nor secondary outcomes between a restrictive and a liberal transfusion strategy. This subgroup analysis generates a research hypothesis that should be confirmed by a randomized controlled trial.