20
| La Lettre du Cardiologue • N° 500 - décembre 2016DOSSIER
La cardiologie du futur
G. Soulat
A B C
Figure 1. Différentes méthodes de représentation en fl ux 4D. Aorte thoracique dans un plan sagittal oblique chez un patient porteur d’une bicuspidie aortique avec raphé et fusion des cusps coronaire gauche et coronaire droite. A : rendu 3D des vitesses avec projection de la vitesse la plus élevée. B : streamlines ou lignes de courant montrant la turbulence des fl ux dans l’aorte ascendante. C : vecteur de vitesse. Toutes ces images ne correspondent qu’à un instant du cycle cardiaque, ici en systole. Les vitesses les plus élevées sont en rouge et les moins élevées en bleu.
IRM de fl ux 4D
4D Flow MRI
G. Soulat*, A. Azarine**, E. Mousseaux*
* Service d’imagerie , Hôpital euro- péen Georges-Pompidou, Paris.
** Service d’imagerie médicale , hôpital Saint-Joseph, Paris.
L’
IRM de contraste de phase 4D, plus sim- plement appelée fl ux 4D ou “ 4D fl ow ”, est une séquence d’IRM volumique qui permet d’avoir une large couverture de l’organe étudié, et une information sur les vitesses de fl ux dans les 3 plans de l’espace au cours du cycle cardiaque.Une fois l’acquisition réalisée, il est possible de connaître la direction et l’amplitude de chaque vecteur vitesse dans le volume auquel on s’intéresse.
Différentes informations peuvent être recueillies à partir de cette acquisition sur la quantifi cation du débit ou de la vitesse maximale, mais également sur la turbulence des fl ux.
Il s’agit en fait d’une technique ancienne, mais dont les longues durées d’acquisition, avoisinant 1 heure, rendaient l’utilisation en pratique courante irréali- sable en complément d’un examen d’IRM cardiaque standard. Des progrès récents ont permis de consi- dérablement accélérer la rapidité d’acquisition ;
de nos jours, elle peut être réalisée en moins de 10 minutes, ce qui rend la pratique envisageable en routine.
Nous verrons dans un premier temps comment est réalisée l’acquisition et quelles sont ses bases théoriques puis, dans un second temps, nous envi- sagerons ses applications potentielles.
Modalités d’acquisition et de post-traitement des données
En raison de sa durée, l’acquisition se fait en res- piration libre sur 10 minutes. La résolution tem- porelle est aujourd’hui inférieure à 40 ms, tandis que la résolution spatiale est inférieure à 2,5 × 2,5
× 2,5 mm. Afi n d’améliorer la qualité des images et le rapport signal sur bruit, l’acquisition est réalisée le plus souvent après l’injection d’un produit de contraste à base de chélates de gadolinium.
Différentes techniques de prétraitement doivent être appliquées avant l’analyse pour corriger les erreurs liées aux courants de Foucault , les repliements de phase ou de vitesse. Ces phénomènes peuvent rapi- dement induire des biais dans le calcul des vitesses et des débits (1) .
En raison de la complexité et du volume des données enregistrées (pouvant aller jusqu’à 20 000 images), de nouvelles méthodes de visua- lisation sont nécessaires. Les logiciels dédiés per- mettent de réaliser des rendus 3D avec un codage couleur projetant la plus haute intensité de vitesse, et de visualiser des vecteurs ou des lignes de cou- rants instantanés représentant les lignes de flux à un moment donné du cycle cardiaque (figure 1) . Le poids élevé des datasets , entre 5 et 8 Gigaoctets (Go), soulève le problème de gestion des “ big data ”.
De ce fait, certaines start-up, telles que Arterys (Californie, États-Unis), proposent des solutions de post-traitement de données anonymes sur clouds, ce qui permet de bénéficier d’une rapidité et d’une puissance de calcul supérieures à celles d’un post-traitement local.
0020_LAR 20 15/12/2016 15:28:46
La Lettre du Cardiologue • N° 500 - décembre 2016 |
21
Points forts
»
Le “4D flow” est une séquence d’IRM volumique avec une large couverture d’acquisition, donnant, pour la première fois, des informations sur le flux sanguin dans les 3 plans de l’espace, au cours du cycle cardiaque. L’IRM de flux 4D permet un placement rétrospectif des plans de coupe dans n’importe quel endroit du volume acquis.
»
Si cette technique n’est pas appliquée cliniquement dans les domaines des valvulopathies et de l’hy- pertension artérielle pulmonaire, elle a déjà démontré tout son intérêt dans les cardiopathies congénitales complexes, en permettant d’évaluer des zones mal visualisées en échocardiographie ou en IRM conven- tionnelle.
»
Il reste encore quelques difficultés techniques à surmonter, telles que le volume de données générées et le traitement informatique de ces données.
Mots-clés
Flux 4D IRM
Valvulopathies Aorte
Cardiopathies congénitales
Highlights
»“4D flow” imaging is a new technology using volumic phase contrast MRI sequence with a large coverage acquisi- tion, giving for the first time, 3-dimensionnal blood flow data during the cardiac cycle.
4D flow MRI enables retro- spective measurements of blood flow anywhere in the acquired volume using multi- plannar tools.
»If this technique is not clini- caly applied yet in the fields of valvulopathy or pulmonary hypertension, it already dem- onstrated interest in complex congenital heart disease imaging, allowing easier and better assessment of some areas missed or difficult to explore using echocardiog- raphy or conventional MRI.
»Some technical difficulties are still to overcome, such as the « big data » generated by this sequence and the need of powerfull computers to process such amount of data.
Keywords
4D Flow MRI Valvulopathy Aorta
Congenital heart disease
Validité des mesures
Le flux 4D est une nouvelle modalité permettant la quantification des débits en tout point de l’acqui- sition, cela a posteriori. Une des difficultés pour la validation de cette technique est l’absence de vrai gold standard pour la mesure du débit cardiaque, y compris les méthodes invasives. L’IRM de contraste de phase 2D est souvent considérée comme la réfé- rence, et sa comparaison avec l’IRM de contraste de phase 4D a donné de bons résultats (2). Cependant, cette validation ne paraît pas suffisante en raison de la proximité des 2 techniques. La plupart des études de validation du flux 4D ont alors utilisé le concept de la conservation du débit : le débit entrant dans le cœur est égal au débit sortant en l’absence de shunt intracardiaque (3, 4). L’avantage de ce principe est qu’il permet une validation interne pour chaque acquisition, y compris en pratique courante.
Les résultats démontrent une supériorité de l’IRM de flux 4D sur le contraste de phase 2D. Pour calculer un rapport débit pulmonaire/débit systémique (QP/
QS), l’IRM de contraste de phase 2D nécessite des mesures sur 2 acquisitions différentes, alors qu’elles sont effectuées de manière simultanée sur la même acquisition pour une IRM de flux 4D, ce qui permet de fournir des valeurs relatives de débit très précises et, éventuellement, de faire plusieurs mesures et, ainsi, de trouver l’emplacement optimal pour les réaliser.
En ce qui concerne la précision de la valeur absolue des vitesses, un travail récent dans une population souffrant d’un rétrécissement aortique a démontré une excellente corrélation entre le flux 4D et le doppler pour la mesure des vitesses maximales (5).
Avantages du flux 4D
Comparativement au flux 2D, l’IRM de flux 4D permet un placement rétrospectif des plans de coupe dans n’importe quel endroit du volume acquis (figure 2, p. 22). Cela est particulièrement utile en cas d’ana- tomie complexe ou d’analyse de flux sur des locali- sations différentes. De plus, en raison du caractère volumique de l’acquisition, elle permet la visualisation de flux multidirectionnels et d’angles variables au cours du cycle cardiaque.
Applications
Valvulopathies
L’IRM est aujourd’hui une technique validée pour quantifier les valvulopathies en utilisant le contraste de phase 2D, notamment pour la quantification des sténoses aortiques ainsi que des fuites aortique, pul- monaire, ou mitrale (6-8). L’utilisation de la tech- nique de flux 4D pour visualiser et quantifier les valvulopathies paraît donc très attrayante (figure 3, p. 22) ; cependant, à ce jour, peu d’équipes se sont focalisées sur la quantification des valvulopathies.
Un travail sur une population de patients présentant un rétrécissement aortique a proposé de quanti- fier la surface fonctionnelle de la valve aortique en mesurant directement l’aire de l’orifice effectif sur les images de flux et a montré de bons résultats en comparaison de la surface obtenue par l’équa- tion de continuité (9). Par ailleurs, l’estimation des valeurs des vitesses maximales dans le rétrécisse- ment aortique paraît reproductible entre doppler et flux 4D (5).
Hypertension artérielle pulmonaire
Actuellement, il reste encore difficile de passer outre une mesure invasive des pressions pulmonaires pour le diagnostic d’hypertension artérielle pulmonaire.Un travail très intéressant s’est proposé de quan- tifier les pressions pulmonaires en observant la durée des turbulences dans l’artère pulmonaire en flux 4D (10). En comparaison avec des pressions invasives, la durée des turbulences en pourcentage de cycle cardiaque était liée très significativement de manière linéaire à la pression artérielle moyenne (PAPm). D’autres travaux sont, bien entendu, néces- saires pour confirmer ces résultats.
Cardiopathies congénitales
Il s’agit probablement de l’application clinique dans laquelle il existe le plus de données et où l’IRM de flux 4D a dès à présent démontré son intérêt en pratique courante.
0021_LAR 21 15/12/2016 15:28:46
IRM de flux 4D
DOSSIER
La cardiologie du futur
A B
Figure 3. Exemple d’insuffisance mitrale. Image des courants à travers un orifice mitral régurgitant en systole. A : coupe 3 cavités. B : coupe 4 cavités. Les lignes de flux partent de l’orifice régurgitant et sont excentrées vers la paroi libre de l’oreillette gauche. Les vitesses les plus élevées apparaissent en rouge, les moins élevées en bleu. Pour toutes ces images, le logiciel de post-traitement Arterys (California, États-Unis) est utilisé.
A
E
C
B
D
Figure 2. Exemple de mesure de débit. Mesure de débit dans l’aorte ascendante au niveau de la jonction sinotubulaire. A et C : segmentation des contours de l’aorte sur une vue reformatée perpendiculaire à l’axe du vaisseau. A : image de module avec représentation des vecteurs vitesse. B : image de module avec représentation des vecteurs vitesse pour positionnement perpendiculaire à l’axe de l’aorte. C : image de phase (noir : vitesse allant vers l’observateur). D : courbe de débit en fonction du temps.
En effet, à la lumière des différents travaux montrant la performance des mesures relatives de débit (3, 4), le flux 4D permet d’améliorer la précision de la quantification des shunts. De manière plus intéressante, en cas de cardiopathie complexe, il permet de détecter des shunts ou des
fuites non visibles en IRM conventionnelle, avec une acquisition 4D plus rapide que les différentes acquisitions 2D (11, 12). Elle permet ainsi d’évaluer facilement des zones non ou mal visualisées en échocardiographie ou au prix d’un temps consé
quent en IRM conventionnelle. Elle permet d’étu
dier a posteriori à loisir les flux dans le volume acquis sans être limité lors de l’acquisition de la compréhension de tout le montage chirurgical par les manipulateurs au cours du suivi de cardiopathies complexes.
Maladies aortiques
Les lignes de flux démontrant des zones de vortex visualisables en flux 4D, notamment en cas de tur
bulence ou de dilatation anévrismale, ont démontré leur intérêt pour mieux comprendre la physiopatho
logie de certaines maladies. L’exemple le plus mar
quant reste la bicuspidie aortique où de nombreux travaux ont permis de faire un lien entre le flux val
vulaire et l’atteinte de l’aorte en aval (13, 14). Les ondes de cisaillement s’exercent différemment sur les segments de l’aorte en fonction de l’excentricité et de la direction du jet liées à la forme de bicus
pidie. Les nouveaux paramètres dérivés du flux 4D paraissent donc prometteurs avec la quantification des ondes de cisaillement à la paroi, de l’énergie cinétique turbulente, la génération de cartographie de pressions, et la mesure de la vitesse de l’onde de pouls. Tous ces indices n’ont cependant pas, à ce jour, d’implication clinique immédiate.
Conclusion
L’IRM de flux 4D est une technique révolutionnaire très prometteuse, déjà à la portée de la routine clinique, une fois quelques difficultés techniques surpassées telles que le volume de données ou le traitement informatique inhérent à la technique. Elle apporte à l’IRM ce que le doppler continu, le doppler pulsé, le doppler couleur ont apporté en leur temps à l’échocardiographie, et ce, dans un volume 3D. On peut s’attendre dans les prochaines années à une utilisation plus large de cette technique afin d’amé
liorer, par exemple, la quantification des valvulo
pathies mais également pour mieux comprendre la physiopathologie de certaines maladies cardiaques
et aortiques. ■
Les auteurs déclarent ne pas avoir de liens d’intérêts.
Références
1. Dyverfeldt P, Bissell M, Barker AJ et al. 4D flow cardio vascular magnetic resonance consensus statement. J Cardio vasc Magn Reson 2015;17:72.
0022_LAR 22 15/12/2016 15:28:47
La Lettre du Cardiologue • N° 500 - décembre 2016 |
43
DOSSIER
2. Bollache E, van Ooij P, Powell A, Carr J, Markl M, Barker AJ.
Comparison of 4D flow and 2D velocity-encoded phase contrast MRI sequences for the evaluation of aortic hemo- dynamics. Int J Cardiovasc Imaging 2016;32(10):1529-41.
3. Hsiao A, Tariq U, Alley MT, Lustig M, Vasanawala SS.
Inlet and outlet valve flow and regurgitant volume may be directly and reliably quantified with accelerated, volumetric phase-contrast MRI. J Magn Reson Imaging 2015;41(2):376- 85.
4. Tariq U, Hsiao A, Alley M, Zhang T, Lustig M, Vasa- nawala SS. Venous and arterial flow quantification are equally accurate and precise with parallel imaging com- pressed sensing 4D phase contrast MRI. J Magn Reson Imaging 2013;37(6):1419-26.
5. Rose MJ, Jarvis K, Chowdhary V et al. Efficient method for volumetric assessment of peak blood flow velocity using 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging 2016;44(6):1673-82.
6. Uretsky S, Gillam L, Lang R et al. Discordance between echocardiography and MRI in the assessment of mitral regur-
gitation severity: a prospective multicenter trial. J Am Coll Cardiol 2015;65(11):1078-88.
7. Defrance C, Bollache E, Kachenoura N et al. Evaluation of aortic valve stenosis using cardiovascular magnetic reso- nance: Comparison of an original semiautomated analysis of phase-contrast cardiovascular magnetic resonance with doppler echocardiography. Circ Cardiovasc Imaging 2012;5(5):604-12.
8. Cawley PJ, Hamilton-Craig C, Owens DS et al. Prospective comparison of valve regurgitation quantitation by cardiac magnetic resonance imaging and transthoracic echocardio- graphy. Circ Cardiovasc Imaging 2013;6(1):48-57.
9. Garcia J, Markl M, Schnell S et al. Evaluation of aortic stenosis severity using 4D flow jet shear layer detection for the measurement of valve effective orifice area. Magn Reson Imaging 2014;32(7):891-8.
10. Reiter G, Reiter U, Kovacs G, Olschewski H, Fuchsjäger M.
Blood flow vortices along the main pulmonary artery mea- sured with MR imaging for diagnosis of pulmonary hyper-
tension. Radiology 2015;275(1):71-9.
11. Valverde I, Nordmeyer S, Uribe S et al. Systemic-to-pul- monary collateral flow in patients with palliated univentri- cular heart physiology: measurement using cardiovascular magnetic resonance 4D velocity acquisition. J Cardiovasc Magn Reson 2012;14:25.
12. Hsiao A, Lustig M, Alley MT, Murphy MJ, Vasa- nawala SS. Evaluation of valvular insufficiency and shunts with parallel-imaging compressed-sensing 4D phase- contrast MR imaging with stereoscopic 3D velocity-fusion volume-rendered visualization. Radiology 2012;265(1):87- 95.
13. Mahadevia R, Barker AJ, Schnell S et al. Bicuspid aortic cusp fusion morphology alters aortic three-dimensional outflow patterns, wall shear stress, and expression of aor- topathy. Circulation 2014;129(6):673-82.
14. Hope MD, Hope TA, Meadows AK et al. Bicuspid aortic valve: Four-dimensional MR evaluation of ascending aortic systolic flow patterns. Radiology 2010;255(1):53-61.
Références bibliographiques (suite de la page 22)
0043_LAR 43 15/12/2016 15:28:47
