Approche à base de modèles pour l’analyse du strain obtenu en échocardiographie 3D – MAESTRo

Quatre axes principaux liés à l'évaluation de la fonction cardiaque régionale ont été développés : 1) évaluation des indices liés à la fonction cardiaque régionale, 2) analyse multivariée de ces indices pour l’amélioration de la sélection des patients éligibles à la CRT, 3) analyse à base de modèle des indices de désynchronisation cardiaque et 4) estimation à base de modèle de la pression du VG.
1) Plusieurs indices ont été développés et analysés pour l'évaluation de la fonction cardiaque régionale: i) intégrales des signaux de strain longitudinal, ii) courbe strain-volume, iii) estimation du travail cardiaque à partir des courbes strain-pression. Une comparaison complète entre les indices déduits des courbes strain-pression estimées et mesurées de manière invasive a été réalisée en fonction de plusieurs configurations de CRT.
2) Une méthode d’analyse multiparamétrique (« Random Forest »), intégrant les intégrales des signaux de strain longitudinal et des durées du complexe QRS, a été implémentée afin d'analyser l'importance relative des différents indices et de proposer un outil de classification de la réponse à la CRT.
3) Deux modèles distincts de l’activité cardiaque ont été proposés: i) un modèle 3D du ventricule gauche, basé sur une résolution par éléments finis, couplé à un modèle de la circulation et ii) un modèle 0D de l'activité cardiaque, avec une résolution adaptée à l’étude des signaux de strain. Ces deux modèles permettent de simuler les principales variables hémodynamiques (pression et débit ventriculaires ...) et les strains myocardiques.
4) Dans le cas d'une sténose aortique, les indices de travail cardiaque sont difficiles à prédire en raison du grand gradient de pression entre le VG et les artères. Nous développons une méthode à base de modèle pour l’estimation de la pression ventriculaire gauche afin d'améliorer l'estimation du travail myocardique pour les sténoses aortiques sévères.

Les principaux résultats associés à la première partie du projet sont:
- le développement d’une bibliothèque de méthodes pour l’évaluation de la fonction cardiaque régionale : i) intégrales des signaux de strain longitudinal, ii) courbe strain-volume, iii) estimation du travail cardiaque à partir des courbes strain-pression.
- Les indices déduits des courbes strain-pression estimées et mesurées de manière invasive ont été comparés chez neuf patients implantés avec un dispositif CRT, en considérant 5 conditions de stimulation. Nous avons montré que les indices de travail cardiaque sont fortement corrélés aux mesures invasives.
- La méthode d’analyse multiparamétrique, basée sur des paramètres électrocardiographiques et échocardiographiques, a été appliquée sur une base de données rétrospective de 114 patients HF (dont 109 répondeurs). Les résultats montrent une amélioration de la spécificité pour la prédiction de la réponse à la CRT.
- Une première version d'un modèle 3D a été proposée. Le ventricule gauche a été couplé à un modèle à paramètres localisés des conditions de précharge et de post-charge, en utilisant la bibliothèque GetFEM afin de simuler les principales variables hémodynamiques (pression et flux ventriculaires ...) et les strains myocardiques régionaux selon la segmentation définie par la société américaine de cardiologie. Une méthode d'analyse de sensibilité a été appliquée au modèle 3D afin d'étudier l'influence des paramètres physiologiques, liés aux activités électriques et mécaniques, sur la dynamique des strains associés à chaque segment myocardique. Les premiers résultats mettent en évidence l'importance de certains paramètres de l'activité électrique et des paramètres morphologiques liés couplage électromécanique.

La deuxième période du projet sera consacrée aux développements suivants :
1) Les indices de la fonction cardiaque régionale devront être améliorés et évalués sur des bases de données cliniques. L'estimation des indices de travail cardiaque et des intégrales du strain longitudinal apparaît particulièrement prometteuse. Cependant, ils nécessitent la détermination manuelle des temps d'ouverture et de fermeture des valves aortique et mitrale. Or, cette estimation des temps valvulaires est fastidieuse pour le clinicien et dépendante de l’opérateur. L'influence des méthodes utilisées pour les estimations des temps valvulaires doit être analysée.
2) Les méthodes d'analyse multivariée pourraient être améliorées par l'intégration d’une composante probabiliste et par l'intégration de connaissances a priori.
3) Les résultats de l'analyse de données doivent être confrontés aux simulations obtenues avec les modèles. Une analyse paramétrique pourra être appliquée sur les modèles de VG, afin de déterminer les paramètres physiologiques les plus influents sur les strains myocardiques. Les paramètres du modèle 0D de l'activité cardiaque seront identifiés afin de fournir des marqueurs physiologiques spécifiques à chaque patient pour l'interprétation des signaux de strain. Les simulations seront confrontées aux données expérimentales de patients pour l'analyse des désynchronisations électromécaniques observées dans les cas d’« apical rocking ».
4) La méthode à base de modèle pour l'estimation de la pression ventriculaire gauche sera validée à partir de données acquises sur 7 patients présentant une sténose aortique sévère. Les données expérimentales comprennent : la pression ventriculaire mesurée de manière invasive, la pression artérielle et tous les paramètres déduits de l'échocardiographie transthoracique.

1) Hubert A., Le Rolle V., Leclercq C., Galli E., Samset E., Casset C., Mabo P., Hernàndez A., Donal. E. Estimation of myocardial work from pressure-strain loops analysis : an experimental evaluation. European Heart Journal-Cardiovascular Imaging, 2018, doi :10.1093/ehjci/jey024. (IF= 8.336)
2) Arnaud Hubert, Le Rolle V., Elena Galli, Alfredo Hernandez, Erwan Donal (2017) Comparison between invasive and non invasive estimation of left ventricular pressure-strain loops. EuroEcho-Imaging 2017, Lisbon, Portugal, December 2017
3) Danan D, Le Rolle V., Hubert A, Galli E, Bernard A, Donal E, and Hernàndez A.I.(2017) Validation of a Finite Element Method framework for cardiac mechanics applications. SIPAIM 2017. 13th International Symposium on Medical Information Processing and Analysis, San Andres Island, Colombia, October 5-7, 2017

L’échocardiographie est un outil clinique reconnu pour la caractérisation des désynchronisations mécaniques ventriculaires chez les patients insuffisants cardiaques (IC). Or les indices échocardiographiques, permettant la sélection des patients éligibles à la resynchronisation cardiaque (CRT) ont eu, jusqu’à maintenant, des performances décevantes. En effet, jusqu'à 30% des patients IC sélectionnés en fonction des recommandations utilisées en Europe et aux Etats-Unis, ne s’améliorent pas cliniquement après l'implantation du dispositif de CRT.

Récemment, l’échocardiographie 3D par speckle-tracking (STE) a été proposée comme une alternative plus précise pour la quantification de l’asynchronisme ventriculaire gauche et l'identification des patients éligibles à la CRT, en produisant des signaux de ‘strain’ associés à la déformation. Cependant, la majorité des méthodes d’analyse du ‘strain’ 3D est basée sur l’étude des valeurs optimales et des instants associés à celles-ci. Ces méthodes négligent notamment la morphologie des signaux même si des valeurs identiques des pics de ‘strain’ peuvent être associées à des dynamiques très différentes. De nouvelles méthodes sont donc nécessaires pour analyser conjointement la morphologie des signaux de ‘strain’ acquis simultanément dans différentes régions du myocarde. Cette tâche est particulièrement difficile à cause de la multi-dimensionnalité du problème et des nombreux processus impliqués dans la génération de la contraction ventriculaire (interactions mécano-hydrauliques, activation et propagation électrique, etc.), qui doivent être considérées conjointement.

L'objectif du projet MAESTRo est de proposer une nouvelle approche à base de modèles afin d'améliorer l'analyse des signaux de ‘strain’ issus de l'échocardiographie 3D. Les indices physiologiques déduits des modèles pourront être utilisés pour interpréter des signaux de ‘strain’ myocardiques, durant les phases pre-, intra- and post- opératoires de la CRT. Cette approche semble particulièrement prometteuse car cela permet: i) d’intégrer des connaissances physiologiques dans le traitement des données, ii) d’analyser des mécanismes sous-jacents qui sont difficiles ou impossibles à observer en clinique avec des méthodes non-invasives (propriétés passives du myocarde, activation électromécanique, réponse hémodynamique à la CRT, ...), iii) d’améliorer la planification de la thérapie en fournissant des scénarios de simulation (paramètres de stimulation dans le cas de CRT par exemple).

L’approche proposée dans le projet MAESTRo nécessite donc la définition de modèles du ventricule gauche dont la résolution spatio-temporelle doit être adaptée à l’échocardiographie. Par ailleurs, il sera nécessaire d’intégrer une description des activités électriques, mécaniques et hydrauliques cardiaques afin de prendre en compte les différents processus qui mènent à la contraction du myocarde. La réussite globale du projet reposera sur le couplage entre les modèles et des méthodes appropriées d’analyse de sensibilité et d’identification. L’implémentation des modèles proposés pourra notamment être réalisée avec M2SL (multiformalism modelling and simulation library), qui est un environnement de modélisation proposé dans notre laboratoire et le logiciel de calcul par éléments finis d’ANSYS.

Un des enjeux de la réussite du projet MAESTRo est l’applicabilité clinique de l’approche à base de modèles. La validation de la méthode globale sera mise en œuvre sur des bases de données (prospective et rétrospective) de patients IC. Un des atouts majeurs du projet MAESTRo est la participation de chercheurs, avec une expertise méthodologique forte, et de cardiologues, de renommés internationales dans le domaine de l’échographie. Les interactions entre ces participants garantiront la pertinence de l’approche sur le plan clinique, notamment pour la prise en charge des patients IC lors de l’implantation de la CRT.