Soutenance mémoire
Anatomie du cœur et cycle cardiaque
Le cœur est au centre de la circulation sanguine et peut être assimilé à une pompe pulsatile. Il se situe au sein du thorax, entre les deux poumons et est composé de quatre cavités formant deux couples oreillettes-ventricules appelés communément « cœur droit » et « cœur gauche », séparés par le septum.
Le « cœur droit » (en bleu sur la Figure 1-2) est responsable de la circulation pulmonaire et contient du sang non oxygéné. Le sang arrive par les veines systémiques dans l’oreillette droite. Il transite vers le ventricule via la valve tricuspide pour être ensuite envoyé vers les poumons via l’artère pulmonaire grâce à la contraction du ventricule droit afin de permettre au sang de s’oxygéner.
Le « cœur gauche » (en rouge sur la Figure 1-2) s’occupe lui du sang oxygéné qui arrive des poumons dans l’oreillette gauche puis transite vers le ventricule par la valve mitrale et est envoyé dans l’aorte suite à la contraction du ventricule gauche (VG). Les valves sont composées de feuillets appelés cuspides qui permettent de séparer les oreillettes des ventricules (valves auriculo-ventriculaires). Elles sont différentes entre le cœur droit et le cœur gauche. La valve du cœur droit est tricuspide et possède donc trois feuillets alors que celle du cœur gauche (la valve mitrale) est composée de deux feuillets. En revanche, les valves de sorties des ventricules (droite : pulmonaire, gauche : aortique) sont similaires et sont composées de trois feuillets. Ce sont les ouvertures et fermetures des valves qui rythment le cycle cardiaque et que l’on entend lorsque l’on « écoute » le cœur avec un stéthoscope. Le passage du sang du VG vers l’aorte est rythmé par le cycle cardiaque qui se définit par la répétition de deux phases, la systole et la diastole :
La systole ventriculaire (1/3 du cycle cardiaque – en orange sur la Figure 1-3) est la phase de contraction du cœur. Les deux ventricules se contractent et éjectent le sang des ventricules vers les artères pulmonaires (par le ventricule droit) et l’aorte (par le VG). Plus précisément pour le cœur gauche, le sang intraventriculaire se trouve compressé par la contraction du VG qui conduit à une augmentation de la pression à l’intérieur de celui-ci. Lorsque la pression devient plus grande que la pression aortique la valve aortique s’ouvre provoquant l’éjection du sang par gradient de pression.
La diastole ventriculaire (2/3 du cycle cardiaque– en bleu sur la Figure 1-3) est la phase de relaxation des ventricules qui se remplissent en deux étapes. Durant la première étape, le sang passe des oreillettes aux ventricules grâce au gradient de pression. En effet, les pressions sont plus basses dans le ventricule relaxé. Dans un second temps, la décharge électrique du nœud sinusal va provoquer la contraction de l’oreillette (on parle de systole auriculaire) qui va expulser le sang restant dans celle-ci vers le ventricule, et achever ainsi le remplissage de ce dernier. Le nombre de répétitions de ces deux cycles, défini le nombre de battements cardiaques par minute appelé fréquence cardiaque qui peut aller de 45 à 200 battements/minute lors d’un effort. Ces deux phases provoquent un mouvement régulier du cœur, qui entraîne le mouvement de l’aorte et en particulier celui de l’aorte ascendante.
La rigidité artérielle, un marqueur infra-clinique
Plusieurs études (Alecu et al. 2008; Collaboration 2010; Lehmann 1999) ont montré que la VOP augmentait significativement avec l’âge. Une étude menée par un consortium européen sur une large population de 11092 sujets (Collaboration 2010) a démontré que la VOP, calculée par tonométrie d’aplanation, et donc la rigidité artérielle augmentait non seulement avec l’âge, mais aussi avec la présence d’une hypertension artérielle, prouvant son intérêt clinique. Pour rappel, le Tableau 1 donne les valeurs de pressions systolique et diastolique correspondant à chaque grade d’hypertension. Figure extraite et traduite de (Collaboration 2010) Il a également été montré que la rigidité aortique représentait un facteur prépondérant de risque cardiovasculaire et en particulier de l’athérosclérose (Fowkes et al. 1991; Markl, Wallis, et al. 2012; Oliver and Webb 2003) causée par le dépôt de plaque d’athérome, principalement composée de lipide, sur les parois d’une artère (Figure 1 20). En plus d’être à l’origine de thromboses , les plaques d’athérome peuvent se révéler instables et provoquer un infarctus du myocarde ou un accident vasculaire cérébral (AVC). La présence de ces plaques étant asymptomatique, i.e. sans symptômes apparents, la mesure de la rigidité artérielle pourrait permettre une détection infra-clinique. Une autre conséquence de la rigidité artérielle est qu’elle entraîne un ensemble de modifications physiologiques qui peut avoir des conséquences sur le cœur, pouvant notamment mener à l’hypertrophie ventriculaire ainsi qu’à sa dysfonction diastolique (Kocabay et al. 2014; Mottram et al. 2005; O’Rourke and Hashimoto 2007; Shim et al. 2011; Weber et al. 2006). En effet, l’augmentation de la pression systolique, pendant la phase d’éjection, induit une post-charge plus importante sur le muscle cardiaque. Cet effort supplémentaire, fourni par le ventricule gauche, va induire une hypertrophie ventriculaire, du fait d’une augmentation de sa masse musculaire pour maintenir le débit cardiaque. Parallèlement, la diminution de la pression diastolique, va entraîner une diminution de la perfusion coronaire, faute de pression suffisante. L’ensemble de ces modifications va aboutir à une altération de la relaxation du ventricule gauche ainsi, qu’à terme, à une fibrose9 myocardique dont l’effet combiné va mener à une dysfonction diastolique (Figure 1-21). Cet ensemble de modifications physiopathologiques se manifeste notamment par le remodelage du ventricule gauche qui peut se calculer comme le ratio entre la masse du ventricule gauche et son volume (Cheng et al. 2009). De plus, ces modifications entraînent une augmentation de la pression pulsée (Safar Michel E. et al. 2018). Cette augmentation de la pression pulsée aggrave elle-même les atteintes des larges artères. Il n’est donc pas clairement établi dans la littérature que la rigidité artérielle est une cause ou une conséquence de l’hypertension, et il est plutôt admis que ces deux atteintes s’aggravent l’une et l’autre. D’autres études ont montré une association entre rigidité des artères et AVC. En effet, il a été montré que les malades avec des facteurs de risques cardiovasculaires ou des maladies vasculaires comme l’insuffisance rénale terminale (Blacher et al. 1999; Dart et al. 1991) avaient une rigidité plus importante que celle des contrôles. Plusieurs études ont ensuite constaté que les patients ayant eu un AVC avaient une rigidité artérielle plus élevée que la normale, notamment Saed et al. sur 205 patients (Saeed et al. 2014) et Tsai et al. sur 89 individus dont 10 avaient eu un AVC (Tsai et al. 2013). On soulignera toutefois que si ces études ont montré une association entre rigidité et AVC, aucune n’a démontré un lien de causalité ou de prédiction. En revanche, Laurent et al. (Laurent et al. 2003) après un suivi de 1715 patients hypertendus sur 8 ans, ont montré pour la première fois, dans une étude longitudinale, que la rigidité artérielle était un prédicteur d’AVC fatals dans cette population même après ajustement aux facteurs usuels de risques cardiovasculaires (âge, cholestérol, diabète, usage du tabac, pression artérielle moyenne et pression pulsée). Enfin, une mortalité augmentée a été également montrée chez les patients avec les plus hauts tertiles de VOP indépendamment de la pression artérielle dans une population de 2795 patients atteints d’insuffisance rénale (Townsend et al. 2018). De plus, il a été également montré que la VOP prédisait la mortalité toute cause dans une population multiethnique de 571 patients atteints de diabète de type 2 (Cruickshank et al. 2002). Ainsi, la détection précoce de la rigidité artérielle, associée à des atteintes cardiaques et vasculaires, est un enjeu majeur. D’autant plus qu’une fois mesurée au-delà des seuils de risque, des solutions thérapeutiques peuvent être mises en place pour abaisser la VOP (Chen et al. 2017).
Anévrysme de l’aorte et dissection
Avec l’âge (Figure 1-22), l’aorte présente une tendance globale à se dilater et à se déformer (Dietenbeck et al. 2018; Kawel-Boehm et al. 2015; Redheuil et al. 2011; Sugawara et al. 2008). Ces modifications géométriques incluent une élongation de l’aorte, l’affaissement/ouverture de la crosse, une augmentation de la tortuosité et une dilatation de la lumière aortique. Toutefois, seule la dilatation maximale, mesurée comme le diamètre aortique maximal, est systématiquement mesurée en clinique et possède des valeurs de seuil établies de 5.5 cm (Chaikof et al. 2018). En effet, lorsque cette dilatation excède les valeurs normales, elle est considérée comme pathologique. On parle d’anévrysme de l’aorte, mot qui vient du grec ανɛυρυσμα et qui signifie « élargissement », que l’on peut définir plus largement comme une dilatation localisée, permanente et irréversible d’un vaisseau. Un anévrysme peut être situé dans la racine aortique, l’aorte ascendante ou encore l’aorte descendante ou abdominale. Selon leur localisation, les dissections aortiques sous-jacentes sont classées en plusieurs types (Reul et al. 1975) comme illustré sur la Figure 1-23. Le diamètre « normal » de l’aorte varie avec l’âge, le sexe et le poids comme vu précédemment rendant la définition du diamètre de référence complexe. Les différences entre hommes et femmes (Burman, Keegan, and Kilner 2008) peuvent notamment s’expliquer par une surface corporelle en moyenne plus élevée chez les hommes (Figure 1-24). Le plus grand risque pour les patients est la rupture d’anévrysme (Sampson et al. 2014) ou dissection aortique, qui survient du fait d’une contrainte mécanique trop importante sur la paroi fragilisée qui provoque une hémorragie interne par saignement à l’intérieur de la paroi aortique suite à la rupture du vaisseau (Carville 20135-6; Humphrey and Holzapfel 2012). Cette pathologie est d’autant plus risquée que les anévrysmes peuvent être asymptomatiques et indolores, rendant complexe leur détection chez des sujets non suivis par ailleurs. En conséquence, la recommandation clinique actuelle est d’opérer de tels patients en rétrécissant la partie anévrismale et en la remplaçant par un matériau synthétique (Ergin et al. 1999) comme illustré sur la Figure 1-25. Cette opération est lourde, invasive et à risque pour le patient. Ceci explique que l’on n’opère les patients qu’au-dessus d’un certain seuil et non dès la détection d’un anévrysme (Chaikof et al. 2018). Cependant, certaines études ont également montré que ce critère unique de diamètre ne permettait pas de prévenir correctement le risque de dissection chez 20 à 30% des patients (Davies et al. 2002; Kim et al. 2016; Pape et al. 2007). Ceci révèle la nécessité de nouveaux biomarqueurs pour améliorer la caractérisation et la stratification de ces patients et, à terme, prédire le risque de dissection ou du moins fournir un complément d’informations hémodynamiques aux données morphologiques des anévrysmes. Les mécanismes exacts qui entraînent cette dilatation ne sont aujourd’hui pas parfaitement connus. L’anévrysme de l’aorte abdominale touche 5 à 10% des hommes de 65 à 80 ans et cette prévalence est 6 fois plus élevée chez les femmes. À noter que dans le cas inverse où l’aorte présente localement un diamètre particulièrement petit par rapport au reste de l’aorte, on parle de coarctation aortique ou de sténose. Si les raisons de la survenue d’un anévrysme dans la population générale sont mal connues, il a été montré que certaines pathologies génétiques ou chromosomiques pouvaient être des facteurs aggravants et ainsi engendrer un risque accru de développer un anévrysme. Les maladies les plus connues sont développées ci-après. En particulier, les liens de causalité entre morphologie et hémodynamique ne sont pas clairs, bien que des liens transverses entre flux et dilatations aient été montrés, que ça soit dans le contexte du vieillissement ou de la pathologie (Bäck et al. 2013; Bensalah et al. 2014; Condemi et al. 2017) Parmi ces maladies, on retrouve l’atteinte anévrismale en population générale mais également des maladies plus rares, à savoir :
1) le syndrome de Marfan qui est un trouble du tissu conjonctif entraînant des anomalies oculaires, cardiovasculaires et squelettiques qui touchent une naissance sur 10000 (Park et al. 2017);
2) le syndrome de Turner qui est une maladie qui touche uniquement les femmes et qui se caractérise par l’absence d’une partie, voire de la totalité, du deuxième chromosome X conduisant à un ensemble d’atteintes cardiovasculaires et endocrines (Sybert and McCauley 2004);
3) la bicuspidie est une maladie de la valve aortique, à l’interface entre le ventricule gauche et l’aorte, qui est la plus fréquente des malformations congénitales cardiovasculaires avec une prévalence de 1 à 2% dans la population générale. La bicuspidie se caractérise par la fusion de deux feuillets au niveau de la valve aortique (on parle également de bicuspidie lorsque les patients naissent avec uniquement deux feuillets). Cette fusion a donc un impact direct sur l’hémodynamique aortique au moment de l’éjection du sang, entrainant un risque élevé de dilatation de la racine aortique et de l’aorte ascendante (Martin et al. 2007) .
IRM cardiovasculaire
Dans le cas de l’IRM cardiaque, les séquences sont souvent synchronisées à l’électrocardiogramme (ECG) pour prendre en compte l’effet du battement cardiaque et éviter les artefacts. Cette synchronisation peut être prospective, c’est-à-dire qu’on acquiert les images à un moment spécifique du cycle cardiaque ou alors rétrospective, c’est-à-dire que l’acquisition se fait en continu et que les images sont organisées à posteriori, ce qui permet une acquisition plus rapide. En IRM cardiovasculaire, on utilise principalement deux séquences (Figure 1-32) :
Les séquences d’écho de gradient : le sang est alors à l’origine d’un signal intense (on parle de séquence « sang blanc »). Elles permettent de réaliser des images fonctionnelles utiles aux mesures des volumes, masse, épaisseur myocardique et fraction d’éjection.
Les séquences d’écho de spin : la graisse est alors à l’origine d’un signal intense. Elles permettent de réaliser des séquences dites anatomiques ou morphologiques. La saturation du sang peut être renforcée par une technique appelée « sang noir » (ou « black blood ») grâce à des impulsions d’inversion/récupération.
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Table des matières
Chapitre 1. Introduction et état de l’art
1.1 Introduction générale
1.1.A. Contexte de la thèse
1.1.B. Déroulement de la thèse
1.1.C. Structure de la thèse
1.2 Contexte clinique : système et pathologies cardiovasculaires
1.2.A. Le système cardiovasculaire
1.2.A.a Le cœur
1.2.A.b L’aorte
1.2.B. Altérations aortiques et cardiaques
1.2.B.a La rigidité artérielle
1.2.B.b La dilatation aortique
1.2.B.c La dysfonction ventriculaire gauche
1.3 Évaluation hémodynamique et non-invasive par IRM
1.3.A. Principe de l’imagerie par résonance magnétique
1.3.A.a Principes généraux
1.3.A.b IRM cardiovasculaire
1.3.A.c Imagerie de flux sanguin en deux dimensions
1.3.B. Imagerie de flux 3D+t (flux 4D)
1.3.B.a Acquisition des images d’IRM de flux 4D
1.3.B.b Corrections des données IRM de flux 4D
1.3.B.c Indices d’IRM 4D quantitatifs de l’atteinte aortique et ventriculaire
1.4 Objectifs de la thèse et organisation du manuscrit
Chapitre 2. Matériel et Méthodes
2.1 Introduction
2.2 Acquisition et données cliniques
2.2.A. Protocole d’acquisition
2.2.B. Pressions et tonométrie
2.2.C. Séquences d’IRM cardiaque
2.3 Traitement des données aortiques
2.3.A. Segmentation des données aortiques en IRM de flux 4D
2.3.A.a Segmentation manuelle de l’aorte : Lattido
2.3.A.b Segmentation semi-automatique de l’aorte : Mimosa
2.3.A.c Extraction des courbes de vitesses et de débit
2.3.B. Biomarqueurs en IRM de flux 4D
2.3.B.a Méthode d’estimation de la vitesse de propagation
2.3.B.b Paramètres fonctionnels de désorganisation du flux aortique
2.4 Étude de la fonction de remplissage du ventricule gauche
2.4.A. Segmentation du flux dans le ventricule gauche
2.4.B. Biomarqueur en IRM de flux 4D
2.4.B.a Paramètres du flux de remplissage du ventricule gauche
2.4.B.b Vitesse de propagation dans le ventricule gauche
2.5 Analyses statistiques
Chapitre 3. Applications aux données cliniques et résultats de la thèse
3.1 Introduction
3.2 Étude de la rigidité aortique
3.2.A. Problématique clinique
3.2.B. Étude 1 : Comparaison de méthodologies de calcul de VOP aortique en IRM de flux 4D
3.2.B.a Matériels et méthodes
3.2.B.b Résultats
3.2.B.c Discussion
3.2.B.d Conclusion de l’étude
3.2.C. Étude 2 : Estimation de la VOP aortique chez des patients coronariens
3.2.C.a Matériels et méthodes
3.2.C.b Résultats préliminaires et discussions
3.2.C.c Conclusion
3.3 Étude du flux chez les patients avec une dilatation aortique
3.3.A. Problématique clinique
3.3.B. Étude 1 : Estimation de la rigidité aortique chez des patients avec une aorte dilatée
3.3.B.a Matériels et méthodes
3.3.B.b Résultats
3.3.C. Étude 2 : Mesures d’organisation du flux chez des patients avec une aorte dilatée
3.3.C.a Matériels et méthodes
3.3.C.b Résultats
3.3.D. Discussion des études 1 et 2
3.4 Évaluation de la fonction de remplissage du ventricule gauche
3.4.A. Problématique clinique
3.4.B. Matériels et méthodes
3.4.C. Résultats et discussion
3.4.C.a Liens avec l’âge
3.4.C.b Liens avec la vitesse d’onde de pouls aortique (aoVOP)
3.4.C.c Effets intriqués du vieillissement et de la rigidité aortique
3.4.D. Conclusion de l’étude
Chapitre 4. Conclusions et Perspectives
4.1 Récapitulatif des résultats obtenus
4.2 Apport du travail de thèse
4.3 Perspectives techniques liées au 4D flow
4.4 Perspectives méthodologiques et cliniques des biomarqueurs d’IRM 4D
Références bibliographiques
Liste des communications scientifiques et récompenses
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