2.3 Marqueur de la dégradation de la fonction cardiaque
2.3.3 Score final
Nous venons de voir, en incluant tous les marqueurs, que certains n’avaient qu’un effet négligeable, voir
inexistant, sur la corrélation du score avec les mesures de références. Ainsi, il semble qu’un score avec simplement
deux mesures — à savoir l’excursion systolique de l’anneau tricuspide (TAPSE) et le rapport des surfaces
ventriculaires droite et gauche (STDVD/VG) — soit suffisant. Dans cette partie, quatre séries de tests sont
réalisées : la première servant essentiellement de validation pour la réduction du nombre d’indicateur n’est
réalisée que sur 1000 itérations tandis que les trois dernières sont réalisées avec 11000 itérations.
Table2.4 – Meilleurs corrélations obtenues dans chacune des différentes séries contenant seulement deux
indi-cateurs : l’excursion systolique de l’anneau tricuspide et le rapport des surfaces télé-diastoliques des ventricules
droit et gauche. La première série est réalisée sur 1000 itérations et les trois suivantes sur 11000 itérations.
Série Pap D6min Rp
i r= 0.64(p= 3.1·10−11) r=−0.62(p= 6.1·10−7) r= 0.74(p= 2.2·10−16)
ii r= 0.64(p= 3.1·10−11) r=−0.62(p= 6.1·10−7) r= 0.74(p= 2.2·10−16)
iii r= 0.64(p= 3.1·10−11) r=−0.62(p= 6.1·10−7) r= 0.74(p= 2.2·10−16)
iv r= 0.64(p= 3.1·10−11) r=−0.62(p= 6.1·10−7) r= 0.74(p= 2.2·10−16)
LesTables2.4 et 2.5 indiquent respectivement les meilleurs corrélations obtenues pour chacune des séries
Table 2.5 – Seuils obtenus pour les différentes séries contenant seulement deux indicateurs : l’excursion
sys-tolique de l’anneau tricuspide et le rapport des surfaces télé-diassys-toliques des ventricules droit et gauche. La
première série est réalisée sur 1000 itérations et les trois suivantes sur 11000 itérations.
Série TAPSE STDVD/VG
i Sh 12 1.50551
Sb 34.4787 0.171125
ii Sh 12 1.50552
Sb 44.9698 -0.451521
iii Sh 12 1.50552
Sb 105.674 -4.05494
iv Sh 12 1.50552
Sb 87.585 -2.98116
significatives entre les différentes séries en terme de corrélation, ce qui semble indiquer, là encore, que nous
pouvons raisonnablement penser que nous sommes proches d’un optimum global dans notre zone de recherche.
Par ailleurs, les corrélations ne sont que très faiblement différentes des corrélations obtenus avec les 5 marqueurs :
cela permet de valider l’hypothèse selon laquelle seules deux mesures — l’excursion systolique de l’anneau
tricuspide et le rapport des surfaces télé-diastoliques droit et gauche — sont nécessaires à l’évaluation de la
fonction cardiaque.
Dans les quatre séries, les seuils hauts convergent vers des valeurs identiques mais les seuils bas ne semblent
pas vouloir s’accorder. Pourtant, lorsque nous regardons le nombre de patients dont la valeur normalisée des
différents indicateurs est en saturation, nous constatons qu’aucun d’eux n’est en saturation basse (pour les deux
indicateurs). Cela semble indiquer que le seuil bas, étant de toute manière sous la valeur de la plus petite mesure
(raisonnable d’un point de vue physique), n’est pas très importante tant que les deux marqueurs se compensent
dans leur coefficient directeur de telle sorte que le rapport de ces derniers soit constant et égal à environ0,05936.
Pour choisir les seuils, nous fixons tout d’abords les seuils du marqueur normalisé du rapport des surfaces
télé-diastoliques droit et gauche avec un seuil haut Sh = 1,5 et un seuil bas Sb = 0 puisque le rapport des
surfaces ne peut pas être négatif. Le choix des seuils, et en particulier du seuil bas, pour l’excursion systolique
de l’anneau tricuspide est un peu plus complexe. Ainsi, nous choisissons de refaire une recherche de seuils
sur 1000 itérations en fixant les seuils du rapport des surfaces télé-diastoliques droit et gauche : l’algorithme
converge alors versSh= 12etSb= 37,3277pour les seuils de l’excursion systolique de l’anneau tricuspide. Par
commodité, nous choisissons comme seuil basSb = 37 pour l’excursion systolique de l’anneau tricuspide. Les
seuils ainsi retenus sont reportésTable2.6 et les corrélations obtenues avec ces seuilsTable2.7.
Table2.6 – Seuils simplifiés retenus.
TAPSE STDVD/VG
Sh 12 1,5
Sb 37 0
Table 2.7 – Corrélations obtenues en utilisant les seuils simplifiés (Table2.6).
Pap D6min Rp
r= 0,64(p= 3,1·10−11) r=−0,62(p= 6,0·10−7) r= 0,74(p= 4,4·10−16)
2.3. MARQUEUR DE LA DÉGRADATION DE LA FONCTION CARDIAQUE 55
des surfaces télé-diastoliques droit et gauche tel que
µ2=Sdd
Sdg, (2.44)
avec Sdd et Sdg les mesures respectives des surfaces télé-diastoliques des ventricules droit et gauche en vue
apicale 4 cavités. Finalement, les seuils définis Table 2.6 permettent de calculer les valeurs normalisées des
différents marqueurs
P1=
1 siµ1≤12
0 siµ1≥37
37
25− 1
25µ1 sinon,
P2=
1 si µ2≥1,5
0 si µ2≤0
2
3µ2 sinon.
(2.45)
Ces valeurs normalisées permettent alors le calcul de notre score
S=P1+P2 (2.46)
utilisable comme un marqueur de la dégradation de la fonction cardiaque.
2.3.4 Discussion
Dans cette partie nous avons construit un marqueur dont l’objectif est de quantifier le degré d’avancement
de l’hypertension artérielle pulmonaire via ses effets sur le cœur. Pour cela nous avons fusionné les résultats
provenant de différents marqueurs déjà utilisés en routine pour certains (comme le TAPSE) ou provenant
des conclusions obtenues avec le modèle (comme le rapport des surfaces télé-diastoliques droite et gauche)
comme nous le verrons au chapitre suivant. Nous avons alors cherché les paramètres optimaux en optimisant
la corrélation de ce nouveau marqueur avec la pression artérielle pulmonaire moyenne, une estimation de la
résistance pulmonaire et le test de marche à 6 minutes – aucun de ces marqueurs ne constituant à lui seul
un bon marqueur, justifiant l’utilisation des trois en même temps. Nous avons utilisé pour cela des données
provenant de 84 patients (Annexe A) contenant les différentes mesures nécessaires à la création de ce score.
La seconde étape a consisté en une simplification drastique de notre marqueur en éliminant tous les termes ne
contribuant pas significativement au score final. Les résultats finaux obtenus sont reportés, pour l’ensemble de
la base de donnée en annexe A. Lorsque nous représentons l’ensemble des patients sur un graphique présentant
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
10 20 30 40 50 60 70
Sco
re
Pap moyenne (mmHg)
Figure 2.10 – Présentation du score de l’ensemble des patients affichés selon la pression artérielle
pulmo-naire moyenne. Les points verts correspondent aux patients ayant une pression artérielle pulmopulmo-naire moyenne
inférieure ou égale à 25 mmHg et les points rouges correspondent aux patients ayant une pression artérielle
pulmonaire moyenne supérieure ou égale à 50 mmHg. Le trait horizontal correspond au score obtenu pour
STDVD/VG = 0,6 et TAPSE = 18 mm, c’est-à-dire en limite de normalité.
le score en fonction de la pression artérielle pulmonaire moyenne (Figure 2.10), nous observons naturellement
que les patients présentant une petite pression artérielle pulmonaire moyenne ont plus tendance à avoir un
Table 2.8 – Valeurs de l’ensemble des marqueurs pour les patients contenants des valeurs de score atypiques
pour leur groupe. Le patient #13 présente un score élevé pour une Pap <25 tandis que les deux autres (#60
et #78) présentent un score faible avec une Pap ≥ 50. La case notée d’un • signifie que la valeur n’est pas
disponible.
# Pap D6min Rp STDVD ∆T FAC TAPSE STDVD/VG Score
(mmHg) (m) (Wood) (cm
2) (ms) (mm)
13 24 150 4,14 21 308 0,52 19 1,62 1,72
60 51 420 7,38 22 58 0,55 24 0,92 1,13
78 50 • 5,93 15 166 0,33 20 0,83 1,12
score faible tandis que les patients présentant une pression artérielle pulmonaire supérieure à 50 mmHg ont plus
tendance à avoir un score élevé.
Dans le groupe de patients présentant une faible pression artérielle pulmonaire, le score médian est de0,98.
Seul un patient (#13) de ce groupe présente un score élevé de1,72 : sa contractilité est préservé (TAPSE =
19 mm) mais présente un rapport des surfaces ventriculaires important signe d’un début de dégradation de la
fonction cardiaque (Table2.9). En particulier, et bien que ce marqueur ne figure pas dans le score final, nous
pouvons constater que ce patient présente une désynchronisation segmentaire importante du ventricule droit :
cela est un autre signe d’un ventricule droit présentant une dysfonction. Il est probable que ce patient, malgré
une pression artérielle pulmonaire faible, soit déjà dans une phase de décompensation ou présente un défaut
cardiaque qui n’est pas lié à une hypertension artérielle pulmonaire. Dans le groupe de patients présentant
une forte pression artérielle pulmonaire, le score médian est de1,68. Deux patients (#60 et #78) présentent
des scores faibles de respectivement 1,13 et 1,12, essentiellement du fait de leur bonne contractilité avec un
TAPSE respectivement de 24 mm et 23 mm (Table 2.9). En particulier, ces deux patients présentent une
désynchronisation segmentaire du ventricule droit correcte voir très bonne pour le patient #60 malgré une
variation fractionnaire de surface légèrement anormale pour le patient #78. Néanmoins, ils correspondent à des
patients suivis et sont donc déjà sous traitement, ce qui peut expliquer leurs bons résultats – et est peut-être
un indicateur de la capacité de notre marqueur à évaluer les effets de ces traitements.
Lorsque nous calculons le score avec les valeurs limites (Table 2.1), nous trouvons un score de 1,16
(Figure 2.10) : un score supérieur correspond donc nécessairement à une situation anormale. L’analyse des
patients présentant une pression artérielle pulmonaire moyenne comprise entre 25 mmHg et 50 mmHg mais avec
un score inférieur à1,16nous montre que leur fonction cardiaque est conservée. En effet, la valeur moyenne du
TAPSE de ce groupe est de 23mm témoignant d’une bonne contractilité et est sensiblement équivalente à la
valeur moyenne du TAPSE du groupe de patient présentant une pression artérielle pulmonaire moyenne
infé-rieure ou égale à25mmHg qui est elle de22mm. À l’exception d’un patient (#13) présentant une contractilité
réduite, ce groupe de patient est assez peu différentiable du groupe de patients ne présentant pas
d’hyper-tension artérielle pulmonaire. Il semble néanmoins que les patients de ce groupe présente une élévation de la
désynchronisation segmentaire du ventricule droit dont la valeur médiane est de 125 ms par rapport au sujet
ne présentant pas d’hypertension artérielle pulmonaire et dont la valeur médiane est de 87 ms. L’hypothèse la
plus probable est que ces patients se situent dans une phase de compensation où la fonction cardiaque n’est pas
encore affectée.
Les premiers résultats obtenus semblent montrer que le score est bien capable de mettre en avant les patients
présentant une dysfonction de la fonction cardiaque droite et peut-être d’évaluer l’effet d’un traitement sur
celle-ci. Il nous faut encore valider plus en détail ce travail en utilisant de nouvelles données – et donc en incluant de
nouveaux patients. En particulier, il faudrait utiliser ce marqueur dans le suivi des patients afin de vérifier que
son évolution est cohérente avec l’évolution de leur état de santé. Il serait également intéressant de rechercher un
lien entre ce marqueur et l’espérance de vie des malades. En effet, de par la nature même de notre indicateur et la
manière dont il est construit, nous pouvons supposer qu’un score élevé conduit à une diminution de l’espérance
de vie.
2.4. CONCLUSION 57
Table 2.9 – Valeurs de l’ensemble des marqueurs pour les patients ayant une pression artérielle pulmonaire
comprise entre 25 mmHg et 50 mmHg et un score inférieur ou égal à 1,16. Les cases notées d’un • signifient
que la valeur n’est pas disponible.
# Pap D6min Rp STDVD ∆T FAC TAPSE STDVD/VG Score
(mmHg) (m) (Wood) (cm
2) (ms) (mm)
11 28 565 0,78 17 128 0,12 25 0,61 0,87
15 32 • 2,96 15 209 0,40 20 0,71 1,16
16 38 725 3,07 16 150 0,31 24 0,70 0,98
18 39 • 2,48 22 104 0,23 25 0,65 0,91
35 29 • 4,17 22 523 0,41 26 0,58 0,83
37 39 • 5,37 18 333 0,28 21 0,64 1,07
42 43 265 3,84 13 178 0,23 19 0,50 1,05
44 36 360 3,85 13 28 0,54 21 0,72 1,12
50 26 200 2,66 24 • 0,50 26 0,69 0,90
54 31 300 3,16 13 117 • 20 0,43 0,97
57 30 465 4,69 5 76 • 13 0,21 1,10
58 28 375 4,90 12 86 0,33 25 0,43 0,77
61 38 386 4,27 17 245 • 21 0,57 1,02
64 29 • 2,85 12 214 0,42 24 0,57 0,90
65 26 475 1,96 18 115 0,39 23 0,62 0,97
66 37 • 4,14 8 113 0,63 24 0,53 0,88
69 29 600 3,94 9 122 0,56 29 0,43 0,61
73 26 415 2,60 12 110 0,42 25 0,43 0,77
74 37 450 3,44 20 210 0,50 22 0,67 1,04
82 30 • 3,10 15 109 0,40 22 0,56 0,97
84 29 420 1,79 26 271 0,31 29 1,08 1,04
2.4 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons construit différents outils d’analyse de la fonction cardiaque droite. Le premier
permet une estimation du débit cardiaque instantané en utilisant les informations de déformation segmentaire.
Le second est une synthèse se voulant la plus objective possible de différents marqueurs échocardiographiques
en un score caractérisant le degré de dégradation cardiaque dans l’hypertension artérielle pulmonaire.
En utilisant la modélisation ellipsoïdale, nous avons estimé l’évolution temporelle de la surface, puis du
volume ventriculaire, l’étude de la dérivée de ce dernier nous donnant le débit instantané. L’estimation du
débit cardiaque à partir de données échocardiographique est très décevante puisqu’il n’existe aucune corrélation
(r < 0,3) avec les données invasives. Néanmoins les facteurs empêchant une réelle conclusion sont identifiés :
à défaut de mieux, nous avons comparé des débits moyens (dont la moyenne n’est pas réalisée de manière
équivalente) sur des mesures espacées de plusieurs minutes. La conclusion concernant la validité ou non de cette
approche ne pourra passer que par une validation rigoureuse comparant les mêmes cycles.
La fusions des résultats provenant de différents marqueurs déjà connus des cliniciens – le TAPSE et le
rapport des surfaces télé-diastoliques droite et gauche – nous a permis de construire un score dont l’objectif est
de quantifier la fonction cardiaque dans le cadre de l’hypertension artérielle pulmonaire. Partant d’une base de
donnée contenant 84 patients, nous avons cherché les paramètres optimaux en optimisant la corrélation de notre
nouveau marqueur avec différentes mesures (pression artérielle pulmonaire moyenne, estimation de la résistance
pulmonaire et test de marche à 6 minutes). Les premiers résultat obtenues sont encourageant et semble montrer
l’effet de la pathologie et des médicament sur la fonction cardiaque. Bien que ce marqueur nécessite encore une
validation, il correspond à une première étape dans l’amélioration du suivi des patients avec l’utilisation d’un
marqueur unique et simple. Il devrait permettre de mesurer quantitativement l’évolution de la dégradation de
la fonction cardiaque et, par conséquent, les améliorations apportées par les traitements médicaux.
BIBLIOGRAPHIE 59
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Chapitre 3
Modélisation dynamique du système
cardio-vasculaire
3.1 Introduction
La modélisation du système cardiovasculaire pour la compréhension de ses évolutions physiologiques ou
pathologiques remonte auxix
esiècle [1].Halesfut le premier à avoir mesuré, en 1735, la pression sanguine du
système artériel et à avoir remarqué que celle-ci variait pendant le cycle cardiaque [2]. Il suggéra également que
cette variation de pression devait être la conséquence de l’élasticité des artères [3]. Il semble que Weber, en
1827, soit le premier à avoir proposé une comparaison de l’élasticité des artères avec l’effet Windkessel présent
dans les systèmes de pompages des pompiers de l’époque [4, 3]. En effet, ces pompes ne produisant pas un débit
constant, l’eau passait dans un réservoir pour lisser le débit de sortie. Suite à cette constatation une première
modélisation des vaisseaux sanguins a été proposée par Ötto Frank en 1899 [5], en se basant sur l’effet
Windkessel qu’il modélisa par une résistance et une capacité (Figure 3.1). L’artère est considérée comme un
réservoir et le reste du circuit comme étant simplement résistif ;Caortecorrespond à la compliance de l’aorte,Rs
la résistance du circuit systémique etPvg etPvc représentent respectivement les pressions du ventricule gauche
et des veines caves. Le calcul de la résistance est réalisé en supposant négligeable la pression dans les veines
caves, correspondant à la fin du circuit systémique (Figure3.2). Ce modèle permet d’expliquer très simplement
la chute exponentielle de la pression dans l’aorte lors de la diastole avec une durée caractéristiqueτ=RsCaorte.
D’autres modèles dérivés de celui-ci et prenant en compte l’inertie du sang par un effet inductif ont été proposés
par la suite [3, 6].
Ventricule
gauche Veinescaves
C
aorteR
sCaorte
Rs
Pvg Pvc
(a) Modélisation hydraulique (b) Modélisation électrique
Figure3.1 – Représentation hydraulique (a) et électrique (b) du modèle proposé parÖtto Franken 1899.
Landesest le premier, en 1943, à mettre en avant l’analogie entre la propagation des ondes pulsées dans
les vaisseaux avec les ondes propagées sur une ligne de transmission électrique [7]. Cette analogie lui permit de
construire une modélisation électrique simple du système circulatoire. Les premiers modèles mathématiques du
système cardiovasculaire utilisant des ordinateurs analogiques pour la validation des résultats apparaissent dans
les années soixante. Noordergraaf et al. proposent, en 1963, un modèle de l’arbre vasculaire artériel afin
C
aorteR
sP
vgFigure 3.2 – Réprésentation électrique simplifiée du modèle d’Ötto Frank[3].
de trouver une explication quantitative du ballistocardiogramme1longitudinal humain. L’analogie électrique, à
cette époque, a également été utilisée pour modéliser et simuler d’autres systèmes biologiques que le système
car-diovasculaire.Warnerl’utilisa en 1959 pour modéliser les mécanismes de contrôle du système circulatoire [10].
Table3.1 – Équivalence entre les variables d’un système hémodynamique et celles de son analogie électrique [9].
Système
hémodynamique Analogie électrique
Sang Charge
Pression Potentiel
Débit sanguin Courant
Masse inerte Inductance
Dissipation visqueuse Résistance
Distensibilité Capacité
Mais elle fut également utilisée, à la même période, par de nombreux auteurs dont, par exemple,van den Berg
pour modéliser la trachée, les poumons et le système respiratoire [11] et parHiltz pour modéliser un neurone
comme base possible d’un réseau de neurones artificiels [12].
En 1964, de Pateret van den Bergproposent une analogie électrique des différents composants
hémo-dynamiques (Tab.3.1) afin de réaliser une modélisation du système circulatoire complet validée par simulation
numérique [9]. Dans ce modèle, ils décomposent le système cardiovasculaire en deux parties : une partie active,
le cœur, et une partie passive, les vaisseaux sanguins (Figure 3.3). Le cœur est composé de quatre parties
que sont l’oreillette droite, le ventricule droit, l’oreillette gauche et le ventricule gauche, contenant chacune un
générateur de tension et un condensateur modélisant la cavité ainsi qu’une inductance, une résistance et une
diode modélisant la valve. Le générateur de tension représente l’action du muscle cardiaque et le condensateur
est l’équivalent de la distensibilité diastolique qui modélisent ainsi une cavité cardiaque. L’inductance
repré-sente l’équivalent de la masse inertielle du sang, la résistance reprérepré-sente la résistance hémodynamique dans la
chambre d’échappement, et la diode garantit que le courant électrique ne circule que dans un seul sens comme
le fait la valve avec le sang. La génération des signaux de contraction des différentes cavités, modélisées par les
générateursG1 àG4, est faite à l’aide d’oscillateurs, de retards et de non-linéarités (Figure3.4). La fréquence
cardiaque, déterminée par le nœud sinusal, est produite par un multivibrateur astable produisant des
impul-sions dont la fréquence correspond à la fréquence cardiaque désirée. Le nœud auriculo-ventriculaire ainsi que les
faisceaux de His gauche et droit sont représentés par des retards. La forme de la contraction proprement dite est
alors construite en trois étapes. La première crée, à chaque impulsion, une sortie non-nulle pendant une durée
dépendante de la constante de temps définie par le multivibrateur monostable utilisé pour cet élément : cette
durée correspond à la durée de contraction du ventricule. Le signal est ensuite modifié par un circuit non-linéaire
transformant le signal rectangulaire en un signal trapézoïdal aux angles « arrondis ». Finalement, l’amplitude
de la contraction est ajustée par un amplificateur.
La deuxième partie du système cardiovasculaire contient les vaisseaux sanguins : le débit sanguin passant
Dans le document
Modélisation du système cardio-respiratoire : remodelage cardiaque et interactions patient-ventilateur
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