Applications Cardiovasculaires

De nombreuses pathologies cardiaques se caractérisent par un changement des paramètres mécaniques du coeur. Ainsi, l’insuffisance cardiaque peut être due à une perte d’élasticité du muscle cardiaque (fibrose) qui limite la capacité de dilatation des cavités cardiaques, mais aussi à une perte de contractilité du myocarde ou encore une hypertrophie du myocarde (myocardiopathies dilatées idiopathiques). Prédire très tôt un changement des propriétés visco-élastiques du coeur est donc un enjeu majeur en imagerie cardiaque. Plusieurs équipes de recherche dans le domaine de l’échographie cardiaque s’intéressent actuellement à ce thème important [2,3,4]. L’approche choisie par l’ensemble de ces chercheurs consiste à mesurer à l’aide d’un échographe conventionnel la déformation ou le taux de déformation local du muscle cardiaque [5,6,7,8] pour essayer de détecter ces changements d’élasticité pathologiques. Cette approche se heurte actuellement à plusieurs problèmes. D’une part le coeur est un organe en constant mouvement (mouvement cardiaque + mouvement respiratoire) et la cadence d’acquisition des échographes standards, bien que l’ordre de 50 à 100 images par seconde, ne permet pas d’être complètement insensible à ces mouvements. D’autre part, cette technique n’est pas quantitative et il est de plus bien connu que l’image des déformations locales d’un milieu n’est pas équivalente à l’image d’élasticité du milieu, caractérisée par le module d’Young, paramètre physique décrivant la dureté du tissu.

Le but de notre recherche est de proposer une approche innovante permettant à l’aide d’un échographe ultrarapide de remonter en temps réel à la cartographie quantitative du module d’Young et de la viscosité locale du coeur et des artères [1]. On pourra ainsi quantifier de manière précise les changements importants d’élasticité locaux du coeur tout au long du cycle cardiaque. Cette nouvelle technologie est maintenant maitrisée par la société SuperSonic Imagine créée à partir des recherches issues de l’Institut Langevin qui a mis au point un échographe ultrarapide pour le diagnostic du cancer du sein.

De nombreuses retombées sont de plus attendues pour le diagnostic précoce des maladies cardiovasculaires. Imaginez qu’il sera bientôt possible pour le médecin de palper à distance et localement les tissus à l’aide de cet échographe hors norme.

Contexte et Enjeux

La prévalence de l’insuffisance cardiaque, conséquence majeure de l’infarctus du myocarde et des cardiomyopathies, est estimée à 22 millions d’individus atteints dans le monde. C’est la première cause d’hospitalisation après 65 ans, et elle représente un problème de santé majeur dans nos régions, avec plus de 400 000 nouveaux cas chaque année aux Etats Unis, 120 000 en France, et un coût total représentant 5 % de tous les coûts de santé. Les cardiomyopathies constituent la plus fréquente des maladies cardiaques héréditaires (prévalence de la cardiomyopathie hypertrophique : 1/500 dans la population générale).
En pratique chez les patients :

  • Le myocarde ischémique (chez le coronarien) et hypertrophié (chez l’hypertendu) est de texture/élasticité différente du myocarde normal
  • Le myocarde des cardiomyopathies présente des anomalies identiques, mal détectée par certaines techniques (imagerie Doppler tissulaire) ; ces anomalies peuvent précéder l’apparition des anomalies fonctionnelles et/ou cliniques
  • L’étendue de la fibrose myocardique est d’importance pronostique (augmentation de la mortalité aussi bien chez le coronarien qu’en cas de cardiomyopathie)
  • Dans les cardiomyopathies hypertrophiques, les anomalies génétiques conduisent à la formation de protéines mutées entraînant des anomalies de contraction et relaxation à l’échelle de l’unité contractile cardiaque, avant même l’apparition de toute anomalie structurelle visible par les techniques classiques (ECG, échocardiographie) ; Pourtant il est important de détecter précocement les sujets atteints dans les familles de patients, puisque cette affection est la cause la plus fréquente de mort subite du sujet jeune. L’imagerie Doppler tissulaire a été proposée pour détecter précocement les anomalies myocardiques inhérentes à la mutation, comme dans d’autres atteintes cardiaques de maladies neurodégénératives familiales (maladie de Friedreich) mais reste un outil frustre et peu fiable. La caractérisation tissulaire, déjà proposée sans succès il y a plusieurs années avec des techniques désuètes, est un défi majeur dans ce contexte.

Contexte et Enjeux Scientifiques

La caractérisation du tissu myocardique, à la fois sur les plans structurel (tissu sain, ischémique, fibrose…) et fonctionnel (contraction, relaxation, élasticité…), reste un défi en cardiologie en dépit de tentatives multiples réitérées depuis de longues années, notamment via les techniques de « backscaterred echo » et de « Doppler Tissue Imaging » et ses dérivés « strain » et strain rate »). Ces techniques ne se sont pas réellement imposées en clinique, la première en raison de sa complexité et faible fiabilité, et la seconde en raison de sa faible reproductibilité. L’importance clinique d’un tel outil est cependant suspectée depuis longtemps sur le plan physiopathologique :

  • La fibrose myocardique est l’aboutissant de tous les processus pathologiques cardiovasculaires, quels qu’ils soient ;
  • Son extension est corrélée à un pronostic péjoratif (diminution de la survie) dans toutes les affections cardiologiques humaines ;
  • Elle est caractérisée par une perte d’élasticité/perméabilité aux ultrasons, mais est aussi précédée par des anomalies cellulaires (ischémie, inflammation, apoptose) qui s’accompagnent également de modifications fonctionnelles (perméabilité, élasticité).

La fréquence élevée de ce phénomène a été aussi récemment confirmée par les études IRM menées dans de nombreuses cardiopathies qui ont montré que :

  • Le myocarde post-infarctus ou hypertrophié présente souvent des plages de fibrose (détectées sur des clichés tardifs après injections de gadolinium)
  • Il est aussi dysfonctionnant comme le montrent les anomalies de contraction et de relaxation (grâce à la technique du « tagging »).

Au-delà du domaine d’application en cardiologie, les pathologies vasculaires périphériques liées à l’athérosclérose et aux maladies non athéroscléreuses sont fréquentes et posent encore souvent des problèmes respectifs de diagnostic précoce pour les premières et de spécificité de diagnostic pour les secondes.
De nombreux facteurs de risque d’athérosclérose ainsi que le viellissement sont responsables d’une altération précoce des capacités visco-élastiques artérielles, qui ne peuvent à l’heure actuelle qu’être analysées de façon relativement grossière que par des mesures indirectes de la vitesse de l’onde de pouls. Une autre approche très indirecte permet l’analyse de la dysfonction endothéliale par la mesure de la vasomotricité dépendante ou indépendante de l’endothélium. Cette approche ne reflète pas, les anomalies d’élasticité pariétale fines. Ces approches ne permettent pas de détecter directement des modifications pariétales précoces de l’élasticité vasculaire.

Les premiers résultats obtenus dans le domaine vasculaire sont extrêmemement encourageants puisqu’il est déjà possible à l’aide de cette technologie de :

1. créer à distance par ultrasons une onde de cisaillement dans l’artère in vivo

2. d’imager en mode ultrarapide la propagation de cette onde de cisaillement le long de l’artère

3. estimer l’élasticité de l’artère à partir de la vitesse de cette onde de cisaillement, et ce plus de dix fois par seconde

Fig. 1. Film à cadence ultrarapide (5000 images/s) de la propagation d’une onde de cisaillement le long de la carotide d’un volontaire sain. Cette onde de cisaillement est engendrée à distance par l’émission d’un faisceau ultrasonore et instantanément imagée par l’échographe. En couleur : déplacements verticaux des tissus. En niveaux de gris : Image échographique Bmode conventionnelle.


1. M. Couade, M. Pernot, C. Prada, C. Perri, E. Messas, J. Emmerich, P. Bruneval, A. Criton, M. Fink and M. Tanter.
Quantitative Assessment of Arterial Wall Biomechanical Properties using Ultrafast Ultrasound Imaging
Ultrasound in Medicine and Biology, 2009, Under Review.

2. Belohlavek M, Bartleson VB, Zobitz ME.
Real-time strain rate imaging : validation of peak compression and expansion rates by a tissue-mimicking
phantom. Echocardiography. 2001 Oct ; 18(7) : 565-71.

3. Edvardsen T, Gerber BL, Garot J, Bluemke DA, Lima JA, Smiseth OA.
Quantitative assessment of intrinsic regional myocardial deformation by Doppler strain rate echocardiography in
humans : validation against three-dimensional tagged magnetic resonance imaging. Circulation. 2002 Jul 2 ;
106(1) : 50-6.

4. Voigt JU, Lindenmeier G, Werner D, Flachskampf FA, Nixdorff U, Hatle L, Sutherland GR, Daniel WG.
Strain rate imaging for the assessment of preload-dependent changes in regional left ventricular diastolic
longitudinal function. J Am Soc Echocardiogr. 2002 Jan ; 15(1) : 13-9.

5. E. Merli and G. R. Sutherland
Can we quantify ischaemia during Dobutamine stress echocardiography in clinical practice ?
Eur. Heart J., September 1, 2004 ; 25(17) : 1477 - 1479.

6. Kowalski M, Herregods MC, Herbots L, Weidemann F, Simmons L, Strotmann J, Dommke C, D’hooge J,
Claus P, Bijnens B, Hatle L, Sutherland GR. The feasibility of ultrasonic regional strain and strain rate imaging
in quantifying dobutamine stress echocardiography. Europ. Journal of Echocardiography,2003 Jun ;4(2):81-91.

7. D’hooge J., Konofagou E.E., Jamal F., Heimdal A., Barrios L., Bijmens B., Thoen J., Van de Werf F.,
Sutherland G. and Suetens P., Two-dimensional Strain Rate Measurement of the Human Heart In Vivo, IEEE
Transactions in Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 49, 281-286, 2002.

8. Konofagou E.E., D’hooge J. and Ophir J., Cardiac Elastography – An In Vivo Feasibility Study, Ultrasound in
Medicine and Biology 28(4), 475-482, 2002.

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