IRM cardiaque et insuffisance cardiaque
2.2. Physiologie cardiaque
Le cœur peut être assimilé à une double pompe qui va éjecter depuis le VG, via l’aorte puis les artères, le sang oxygéné dans la circulation systémique (grande circulation) puis, drainer, via le circuit veineux, le sang désoxygéné et riche en dioxyde de carbone (CO2) qui va se déverser dans l’AD (via les deux veines caves inférieure et supérieure) puis dans le VD (Figure 2-4). Le sang sera à nouveau propulsé lors de la contraction du VD dans la circulation pulmonaire (petite circulation) où il sera oxygéné et appauvri en CO2. Le sang oxygéné reviendra alors au cœur gauche via les veines pulmonaires dans l’AG puis s’écoulera dans le VG avant d’être à nouveau éjecté.
Figure 2-4 : Schéma simplifié de la circulation sanguine systémique et pulmonaire. Source : https://difference.guru/difference-between-pulmonary-and-systemic-circulation/
On appelle un cycle cardiaque, les étapes de contraction/éjection du sang (systole) et de relaxation/remplissage (diastole) des chambres qui sont les conséquences de l’activité électrique du cœur pouvant être mesurée par ECG. Nous n’entrerons pas dans le détail de fonctionnement du réseau de conduction de l’influx électrique et ses mécanismes de propagation en nœuds, faisceau de His, réseau de Purkinje et cellules cardionectrices. Dans cette partie nous nous intéresserons uniquement aux mécanismes de contraction des ventricules et leur relation avec le signal ECG « normal ». Un cycle se caractérise par :
• La diastole ventriculaire : décomposée en une phase de relaxation isovolumique et remplissage progressif des atriums puis des ventricules. Elle se termine par la contraction des atriums et le remplissage maximum des ventricules dans lequel le sang est maintenu par la fermeture des valves atrio-ventriculaire et des valves aortique/pulmonaire du fait des plus faibles pressions dans les ventricules que dans les artères.
Cette phase de diastole ventriculaire ne comporte ainsi que très peu de mouvements cardiaques et constitue une phase cardiaque propice à l’imagerie. Sur l’ECG, elle correspond à la période entre la fin de l’onde T (Figure 2-5, à peu près à la moitié de l’intervalle RR27)et le pic R de l’onde QRS.
• La systole ventriculaire : elle est composée d’une phase de contraction isovolumique i.e. une contraction des ventricules sans éjection de sang dans les artères, à cause du différentiel de pressions. Puis la contraction des ventricules aboutit à l’éjection du sang dans les artères et à une baisse de la pression dans les ventricules. Sur l’ECG elle correspond à la période entre le début du complexe QRS et la fin de l’onde T. C’est pendant cette phase que se réalisent les plus grandes amplitudes de mouvements cardiaques même si la télésystole se caractérise par une certaine absence de contraction et de mouvements.
Du fait des alternances de phases de repos et de phases de contraction et de sa position thoracique soumise aux mouvements du diaphragme lors d’une respiration normale, il a fallu développer des séquences IRM spécifiques à l’exploration du cœur afin d’éviter que les mouvements lors de l’acquisition conduisent à l’apparition d’artéfact.
Figure 2-5 : Cycle cardiaque et correspondance du signal ECG, traduit et adapté de openstax.org
2.2.1. IRM cardiaque : gestion des mouvements
On peut dichotomiser la nature des mouvements impactant les acquisitions IRM en : mouvements cardiaques et mouvements respiratoires.
2.2.1.i. Gestion des mouvements cardiaques
On distingue deux approches historiques à la gestion des mouvements cardiaques : l’approche prospective qui se base sur le signal ECG mesuré sur le patient afin de déterminer la phase cardiaque pendant l’examen, et l’approche rétrospective, où les acquisitions sont effectuées sans tenir compte des battements cardiaques, mais où la reconstruction des données est effectuée a posteriori à l’aide du signal ECG enregistré. Dans ce mémoire et pour la suite des travaux de thèse, nous nous intéresserons uniquement aux moyens prospectifs.
De manière générale, les stratégies d’acquisitions ont été développées pour réduire l’impact des mouvements cardiaques pouvant se produire à 3 temps cruciaux de la chaine d’acquisition :
• Mouvements intra-TR : la solution est de diminuer le plus possible le temps TR de la séquence en développant des séquences accélérées ou dite « ultra-rapide » permettant l’acquisition d’une ligne de l’espace k avec des TR<10ms. Parmi les séquences les plus utilisées pour leur rapidité, les séquences écho de gradient avec spoiler ultra rapide avec préparation d’aimantation (FSPGR ou turbo-FLASH [29], [35] ) ou avec état d’équilibre de l’aimantation transversale (bSSFP, e.g. TrueFISP, FIESTA [35]) occupent une place très importante. Elles sont particulièrement utilisées dans l’étude de la perfusion comme nous le verrons plus loin dans le sous chapitre « IRM cardiaque injectée ».
• Mouvements inter-TR : la solution est de diminuer le temps d’acquisition total de la séquence et de pouvoir la réaliser en un seul intervalle RR (i.e. Single-shot). Il est admis que la durée d’une acquisition ne doit pas dépasser 200ms mais cette durée doit être mise en perspective de la durée de l’intervalle RR total. Cela est rendu possible en utilisant d’une part les séquences mentionnées au point précédent ainsi que des méthodes d’imagerie parallèle (GRAPPA[54], SENSE[55]) ou d’échantillonnage partiel de l’espace k (Fourier partiel [56] ou Compress-Sensing [57] etc.).
• Mouvements inter-images : la stratégie d’acquisition prospective est basée sur le « triggering » [58], c’est-à-dire au déclenchement du début de l’acquisition à un temps précis de l’intervalle RR. Ce temps est généralement dénommé trigger delay (TD) et est usuellement paramétré de sorte à ce que l’acquisition soit réalisée en période de fin de systole ou en diastole (exemple en Figure 2-6).
Ceci a pour but de réaliser l’image du cœur dans les mêmes conditions de contraction/relaxation i.e. durant la même phase cardiaque. Il est généralement préférable de programmer la séquence en fin de systole en utilisant des méthodes de lecture ultra rapides afin d’imager le myocarde lorsqu’il est le plus épais. Aussi, les méthodes de triggering sont extrêmement dépendantes du rythme cardiaque du patient (puisque directement relié à la durée de l’intervalle RR et de chaque phase le composant). De plus, puisque basée sur une estimation prédictive du TG en fonction des précédents intervalles RR, elles sont particulièrement sensibles aux variations de rythme cardiaque, rendant l’examen plus complexe à réaliser chez les patients arythmiques par exemple. Outre les problèmes de prédictions du temps de délai correspondant à la phase cardiaque ciblée, les contraintes techniques liées à l’environnement IRM rendent difficile une mesure robuste des signaux ECG depuis l’intérieur du tunnel de la machine. C’est pourquoi ce champ de recherche demeure très actif et des erreurs de déclenchement ou « mis-trigerring » peuvent encore survenir.
Figure 2-6 : Exemple d'acquisition en diastole et fin de systole avec emplacements des acquisitions sur signal ECG. L’acquisition en fin de diastole (orange) est paramétrable en choisissant un TD long (au regard du rythme cardiaque du patient) et aboutit à l’imagerie du myocarde peu épais. L’acquisition en fin de systole (vert) correspond à un TD plus court et aboutit à l’imagerie d’un myocarde plus épais. Images, CHRU Nancy
2.2.1.ii. Gestion des mouvements respiratoires
La gestion des mouvements respiratoires peut être réalisée selon plusieurs stratégies. La méthode la plus utilisée en routine clinique est la coopération du patient dans le maintien d’une apnée de la durée de l’acquisition. Certaines séquences pouvant durer jusqu‘à 20 secondes, il est souvent difficile pour les patients de réussir cet exercice. Aussi, cette méthode est la plus propice à l’inclusion d’artéfacts inter-image puisqu’il est difficile de reproduire des apnées parfaitement identiques en termes de temps et de position du cœur (liée au moment du cycle respiratoire auquel l’apnée est démarrée) d’une séquence à l’autre.
C’est pour ces raisons que d’autres techniques ont été développées et sont encore en développement avec comme objectif de permettre l’acquisition en respiration libre :
• Synchronisation : à la manière du triggering cardiaque, il est possible de programmer l’acquisition d’une séquence pendant une période précise du cycle respiratoire, généralement en fin d’expiration. La méthode la plus utilisée est la méthode « echo-navigateur » [59], [60] qui consiste à imager la zone qu’atteint le dôme diaphragmatique lors de la fin de l’expiration.
• Méthode rétrospective : la correction des mouvements respiratoires est réalisée au moment de la reconstruction des données ou en post traitement. La correction des mouvements respiratoires en post traitement ne nécessite pas l’enregistrement du cycle respiratoire pendant l’acquisition. Il s’agit de méthodes de recalage d’images (rigide, semi-rigide ou élastique) qui se basent sur l’information (structure, intensité) des images à recaler et s’emploie à minimiser un critère de similarité entre deux images. Il existe à l’heure actuelle de nombreux algorithmes qui ont été développés pour l’IRM cardiaque ou non.
Figure 2-7 : Exemple d'acquisition dynamique. Les zones d’intérêts rouge et verte correspondent aux courbes de rehaussement artérielles et myocardique (issue de : Pelgrim et al., 2016, BMRI [47])
En IRM avec injection de produit de contraste, les temps d’acquisition dépassent généralement la minute (exemple Figure 2-7, de [61]) et sont donc impossible à réaliser en apnée. La méthode la plus couramment utilisée est le post traitement des données acquises en respiration libre ou respiration partiellement libre. Dans ce dernier cas, il est demandé au patient de réaliser une apnée aussi longtemps que ses capacités le lui permettent, puis de reprendre une respiration normale. Cette méthode à l’avantage de ne pas incorporer de mouvements respiratoires entre les images de la première phase précédent l’arrivée du produit de contraste ainsi que les premières secondes de son arrivée. L’inconvénient de cette technique est l’introduction d’un mouvement respiratoire d’une amplitude importante à l’arrêt de l’apnée pouvant, qui plus est se produire pendant l’arrivée du produit de contraste dans le VG.