Avancées en imagerie cardiaque par ultrasons

24 | La Lettre du Cardiologue • N° 500 - décembre 2016

DOSSIER

La cardiologie du futur

Avancées en imagerie cardiaque par ultrasons

Breakthroughs in cardiac ultrasound imaging

P.P. Sengupta*

* Institut de cardiologie du centre médical Mount Sinaï, New York.

L

Cliniques d’échographie cardiaque au sein

des communautés

La figure présente l’utilisation potentielle des tech- nologies d’échographie cardiaque du futur. Grâce à la miniaturisation des appareils d’échographie cardiaque et au développement des technologies sans fil et connectées au smartphone, il ne fait pas de doute que la plupart des stratégies de dépistage et de diagnostic seront largement diffusées et non plus limitées à l’hôpital ou au cabinet de cardiologie.

À ce jour, plus de 8 systèmes miniaturisés différents ont été développés, la majorité utilisant un système d’exploitation protégé, mais certains optant pour un système d’exploitation libre qui augmente la possibilité d’interaction avec d’autres appareils de soins. Parmi les autres innovations à venir, on peut citer l’échographe ceinture pour l’échographie et l’imagerie vasculaire en continu, et un échographe tactile pour l’imagerie transcutanée (1, 2). Des dis- positifs portatifs d’échographie sont actuellement mis au point, dans le but d’activer ou de dégrader des dispositifs thérapeutiques in situ, permettant

des traitements ciblés comme la thrombolyse intra- vasculaire.

Des investigations cliniques récentes ont démontré que des avancées significatives ont été accomplies dans l’intégration de la santé mobile et des tech- niques de diagnostic connectées au smartphone, avec des échographes portatifs. L’étude ASE- VALUES a été menée en partie pour évaluer la valeur ajoutée de ces nouvelles technologies (la santé mobile ou mobile Health, “m-santé”), par rapport au soin conventionnel, dans les domaines de la pres- tation des soins et de l’évaluation de la gravité de la maladie chez les patients atteints de rhumatisme articulaire aigu et de cardiopathies structurelles (2).

Deux cent cinquante-deux patients ont été répartis au hasard dans 5 cliniques “m-santé” et 5 cliniques de traitement standard. Dans les cliniques m-santé ont été effectués des tests diagnostiques multi- paramétriques, y compris électrocardiogramme (ECG) numérique, tension artérielle connectée au smartphone, épreuve de marche de 6 minutes, et analyse du BNP (Brain Natriuretic Peptide) réalisée au centre de soins, en plus de l’échographie par dispositif portatif, afin d’évaluer la gravité de la maladie. Au cours d’une période de suivi de 12 mois, la nécessité d’une valvuloplastie percutanée ou d’un remplacement valvulaire est survenue plus rapide- ment dans le groupe m-santé ; dans le groupe de traitement standard, on a observé un nombre d’hos- pitalisations et de décès sensiblement supérieur. Ces données indiquent que l’intégration des dispositifs de m-santé aux échographes portatifs permettra la diffusion localement et améliorera l’évaluation des patients atteints de cardiopathies structurelles.

Plates-formes numériques pour imagerie

De nouvelles plates-formes numériques en ligne (cloud) pour l’imagerie ont été développées ; elles permettent une transparence d’accès aux fonc- tionnalités multiples dans un logiciel EMR ou HIE ;

1 Cet article a été traduit de l’américain par l’équipe d’experts de

La Lettre du Cardiologue.

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Résumé

Figure. Prévision de développement de l’utilisation de l’échographie cardiaque.

La miniaturisation des dispositifs d’échographie devrait aboutir à un déplacement des examens de dépistage et des tests diagnostiques vers le cœur de la société civile, avec également un développement des technologies sans fil, mobiles et à capteurs, permettant les examens à distance. À l’avenir, la majorité des examens diagnostiques seront effectués localement, grâce aux technologies Cloud qui permettent l’analyse et la transmission automatique des données, avec retour d’information au patient et à la personne en charge du patient. Lorsque des anomalies significatives seront constatées, une visite à l’hôpital sera organisée où des investigations plus poussées seront effectuées, impliquant l’imagerie multidimensionnelle et multiparamétrique, y compris la modélisation permettant des thérapies personnalisées.

Les avancées en imagerie cardiaque laissent entrevoir plusieurs possibilités passionnantes pour l’avenir.

Ces innovations technologiques vont faire passer l’échographie cardiaque d’un outil principalement diagnostique à un outil de thérapie et d’intervention. Le principal défi au cours de la prochaine décennie sera de mener des études scientifiques avec une méthodologie rigoureuse et une puissance suffisante pour évaluer l’impact de ces nouvelles technologies sur la prise en charge pour aboutir à une meilleure qualité de soins pour les patients.

Mots-clés

Santé numérique, Technologie médicale, Capteurs, Données générées

par les patients Keywords

Digital health, Medical technology, Sensors, Patient-generated data

Summary

The cardiac imaging approach discussed above gives rise to several intriguing future pros- pects. These technological innovations have enhanced the shift of cardiac ultrasound from being a primarily diagnostic modality towards a thera- peutic and interventional aid.

The greatest challenge for the next decade will be to provide scientific studies designed with careful methodology and vigor to test patient-centered outcomes.

l’infra structure est évolutive, virtualisée et facile- ment accessible de n’importe où, y compris à partir d’ordinateurs portables cryptés ou de dispositifs mobiles, de sorte que les utilisateurs ne sont pas obligés de se servir d’un poste de travail spécifique pour accéder aux données. En mettant à profit cette connectivité, l’étude ASE-REWARD représente un premier pas important dans l’échocardiographie à distance. Elle a permis d’effectuer des examens cardiaques avec des échographes de poche chez plus de 1 000 patients dans des sites ruraux, et de transmettre les résultats vers la plate-forme

“Cloud”, pour l’interprétation à distance effectuée par 75 médecins à travers le monde (3). Cette étude illustre le potentiel d’extension d’accès et d’exper- tise à des régions rurales. Bien qu’elles ne soient pas encore largement utilisées, ces plates-formes fonctionnent avec divers systèmes d’exploitation, et sont basées sur le navigateur plutôt que sur des fichiers clients, de sorte que :

➤ on n’a pas besoin de module externe ou de télé- chargements ;

➤ l’accès à la connexion est établi par les identi- fiants de l’utilisateur ;

➤ de multiples archives d’images peuvent être visualisées si nécessaire.

➤ Cela permet à l’utilisateur l’accès simultané à des fonctionnalités multiples (telles que compte de messagerie, outils collaboratifs et applications avancées comme les images échographiques tri- dimensionnelles [3D] et le traitement multipara- métrique, sans avoir de mots de passe multiples).

Échographie cardiaque robotisée

La combinaison de l’imagerie numérique avec la télérobotique pourrait élargir l’utilisation de l’écho- graphie, ce qui permettrait à un expert d’effectuer un examen à distance, virtualisant l’acquisition de l’image échographique et son interprétation.

Une étude récente a évalué l’utilisation du bras robotique pour effectuer des échographies, ainsi que l’efficacité en termes de gain de temps lié à l’inter action hommes-machines dans des centres de dépistage (4). Par rapport à un échographiste

débutant, un échographiste expérimenté fait preuve de meilleures compétences dans la mani- pulation du bras robotique. Ainsi, l’expérience déjà acquise en échographie clinique est associée à un temps de navigation progressivement raccourci grâce à l’aptitude accrue de l’opérateur expéri- menté à ajuster les mouvements angulaires plus précis de la sonde. La stratégie de faire appel à la consultation en cardiologie en plus de l’écho- cardiographie à distance assistée par robot a été étudiée également dans une étude randomisée, prospective et en ouvert. Les échocardiogrammes et la téléconsultation en cardiologie ont été effec- tués à distance en temps réel depuis un centre de soins tertiaires, pour des patients se trouvant à plus de 200 kms, dans un centre de soins primaires (5).

La stratégie de consultation à distance a permis un diagnostic efficace et une probabilité accrue de prise en charge plus rapide par rapport au trai-

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DOSSIER

La cardiologie

du futur Avancées en imagerie cardiaque par ultrasons

tement standard au centre de soins primaires. Le développement de l’échographie télérobotique à distance pourrait jouer un rôle important dans le domaine émergent de la télémédecine, accroître le rôle des échographistes et médecins dans l’éva- luation échographique à distance, ou guider les auxiliaires médicaux à distance. Cette technologie pourrait s’avérer très utile dans d’autres situations, par exemple, pour guider les patients lors de leur arrivée aux urgences, dans le cadre de procédures interventionnelles, ou pour guider le personnel paramédical dans des situations d’urgence, pour les stratégies de dépistage collectif, lors de missions spatiales, pour permettre de fournir des services d’imagerie adaptées en cardiologie, tout en opti- misant les coûts.

Les “big data” de l’imagerie échographique et la médecine de précision

Vélocité, volume et variété constituent les princi- pales caractéristiques des “big data”. La vélocité est la vitesse à laquelle les données sont générées, le volume désigne la quantité de données (en téra- octets et gigaoctets), et la variété décrit les dif- férents types de données disponibles. L’imagerie cardiaque par ultrasons produit des milliers de données à chaque examen, et ces quantités vont sans doute s’accroître avec l’arrivée de technologies multidimensionnelles d’imagerie cardiaque. Toute- fois, il est difficile pour les cliniciens d’assimiler et d’interpréter entièrement de tels ensembles volu- mineux et complexes de données ; par conséquent, seule une fraction des données potentiellement utiles est utilisée pleinement pour l’interprétation diagnostique et la prise de décision clinique. L’ap- plication de techniques de recherches de données et d’apprentissage automatique serait pertinente pour la création d’une automatisation diagnostique et pour l’efficacité. Une étude récente a décrit le développement et la validation d’une approche de type “machine intelligente” (intelligence artificielle) pour interpréter un grand volume de données prove- nant de l’imagerie cardiaque (6). Toutes les données cliniques et d’échocardiographie (≈ 2 000 types de mouvements et de déformation différents) obte- nues pour un seul patient ont été utilisées pour former un algorithme basé sur la mémoire asso- ciative qui a dans un second temps été testé pour différencier la péricardite constrictive de la cardio- myopathie restrictive. Des techniques similaires ont

été développées pour différencier l’hypertrophie pathologique observée dans la cardiomyopathie hypertrophique de l’hypertrophie physiologique du sportif (7). L’American College of Cardiology a réuni récemment un groupe de réflexion sur l’avenir de l’imagerie et a recommandé aux sociétés scien- tifiques d’imagerie de collaborer avec des experts en bio-informatique, afin d’accélérer les méthodes d’utilisation des données d’imagerie pour valider la contribution de l’imagerie cardiovasculaire à l’amé- lioration des résultats des soins médicaux (8). Des recherches intenses dans ces domaines vont voir le jour dans les prochaines années. Certains pourront craindre que ces innovations technologiques, telles que le développement de l’apprentissage automa- tique par des “machines intelligentes”, prennent la place des cliniciens, mais il est aussi possible d’envisager ce changement d’une autre manière.

Le temps gagné par la technologie pourrait offrir aux professionnels médicaux plus de temps pour soigner leurs patients et résoudre des problèmes cliniques.

Nouvelles technologies pour la cardiologie interventionnelle

Dans le passé, on a utilisé un système d’imagerie in vitro pour évaluer les applications Doppler couleur 3D, telles que la quantification de la régurgitation, au moyen de la convergence des flux en 3D et de la mesure de la vena contracta, pour codévelopper et valider les premiers outils logiciels quantifiant des évaluations de régurgitation Doppler couleur 3D, et pour développer des approches permettant d’évaluer l’impact fonctionnel des dispositifs de réparation valvulaire par cathétérisme. Les avancées récentes en impression 3D ont permis le développement de modèles adaptés aux patients, pour l’évaluation des interventions aortiques et la mitrale (9). Les modèles actuels 3D adaptés aux patients sont créés à partir de données DICOM générées par tomodensitomé- trie, mais l’évolution de l’échocardiographie 3D pourrait permettre de créer des modèles adaptés aux patients en utilisant des données communes d’écho- cardiographie. Alors que l’impression 3D fournit des données statiques, les images holographiques dynamiques permettent une meilleure connaissance des ensembles de données 3D en dynamique. Qui plus est, l’holographie pourrait permettre une meil- leure fusion des données provenant de l’échocar- diographie et d’autres techniques d’imagerie, dans

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DOSSIER

le but de créer des modèles adaptés aux patients, anatomiques et fonctionnels, pour des thérapies personnalisées (10).

Les cathéters pour échographie intravasculaire et intracardiaque dotés de capacités d’imagerie volu- métrique en temps réel pourraient présenter des avantages en cardiologie interventionnelle (maladies coronariennes et cardiaques). L’implémentation de ces techniques pour aboutir à un système monosonde flexible est en cours. Le développement d’un nouveau

système d’imagerie par ultrasons avec une sonde de 1,5 mm de diamètre a été annoncé récemment. Qui plus est, un nanocapteur d’échographie libre pour la prise continue d’images des systèmes de circulation artérielle et veineuse a été décrit (12). La mise au point de telles techniques de surveillance continue pourrait servir à l’avenir à monitorer les réponses au traitement et à apporter un retour d’information au patient et au médecin, ce qui permettrait d’adapter

la thérapeutique. ■

P.P. Sengupta déclare avoir des liens d’intérêts avec Forest Labs, Heart Test Labs et Echosense LLC. Il déclare être consultant pour TeleHealthRobotics et les laboratoires Heart Test.

1. Bhuyan A, Choe JW, Lee BC, Cristman P, Oralkan Ö, Khu- ri-Yakub BT. Miniaturized, wearable, Ultrasound Probe for On-Demand Ultrasound Screening. In IEEE International, Ultrasonics Symposium, 2011, pp. 1060-3.

2. Bhavnani SP, Narula J, Sengupta PP. Mobile technology and the digitization of healthcare. Eur Heart J 2016;37:1428- 38.

3. Singh S, Bansal M, Maheshwari P, et al.; ASE-REWARD Study Investigators. American Society of Echocardiography:

Remote Echocardiography with Web-Based Assessments for Referrals at a Distance (ASE-REWARD) Study. J Am Soc Echocardiogr 2013;26:221-33.

4. Sengupta PP, Narula N, Modesto K et al. Feasibility of intercity and trans-Atlantic telerobotic remote ultrasoun- d:assessment facilitated by a nondedicated bandwidth connection. JACC Cardiovasc Imaging 2014;7:804-9.

5. Boman K, Olofsson M, Berggren P, Sengupta PP, Narula J. Robot-assisted remote echocardiographic examination and teleconsultation: a randomized comparison oftime to diagnosis with standard of care referral approach. JACC Cardiovasc Imaging 2014;7:799-803.

6. Sengupta PP, Huang YM, Bansal M et al. Cognitive Machine-Learning Algorithm for Cardiac Imaging: A Pilot Study for Differentiating Constrictive Pericarditis From Restrictive Cardiomyopathy. Circ Cardiovasc Imaging 2016;9(6). pii: e004330.

7. Sukrit Narula, BA, Icahn School of Medicine at Mount Sinai, New York, NY – “Automated Morphological and Functional Phenotyping of Human Heart with Feature Tracking of 2D Echocardiographic Images Using Machine Learning Algorithms” http://asecho.org/what-we-do/

awards-and-scholarships/

8. http://www .acc .org/latest -incardiology/

articles/2015/08/11/09/37/thought-leaders-discuss- the-future-of-cardiovascular-imaging-during-think-tank 9. Farooqi KM, Sengupta PP. Echocardiography and three-di- mensional printing: sound ideas to touch a heart. J Am Soc Echocardiogr 2015;28:398-403.

10. Bruckheimer E, Rotschild C, Dagan T et al. Compu- ter-generated real-time digital holography: first time use in clinical medical imaging. Eur Heart J Cardiovasc Imaging 2016;17:845-9.

11. Qiu Y, Gigliotti JV, Wallace M et al. Piezoelectric micro- machined ultrasound transducer (PMUT) arrays for inte- grated sensing, actuation and imaging. Sensors (Basel) 2015;15:8020-41.

12. Gurun G, Tekes C, Zahorian J et al. Single-chip CMUT-on- CMOS front-end system for real-time volumetric IVUS and ICE imaging. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2014;61:239-50.

Références bibliographiques

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