New diagnosis ultrasound device for non-invasive myocardial stiffness quantification in humans
Nouvel outil de diagnostic ultrasonore pour la quantification non-invasive de la rigidité myocardique chez l'homme
Résumé
Heart failure (HF) currently affects 20 million people in Europe, and this number is expected to increase rapidly in the future. Early diagnosis of HF is essential in order to successfully address the underlying causes. However, initial diagnosis is difficult meaning that HF is only correctly diagnosed in about half of affected patients. HF with preserved ejection fraction, that accounts for more than 50% of all HF patients, is due to abnormal ventricular stiffness which remains very difficult to diagnose. Non-invasive evaluation of myocardial stiffness remains today a challenge and there is currently no technique that can assess myocardial stiffness in clinical practice.In this PhD thesis, a novel ultrasound device has been developed for non-invasive quantification of myocardial stiffness for accurate, quick and non-invasive assessment of the diastolic function. The device relies on shear wave elastography a concept developed in our group for soft tissue elasticity imaging. In this PhD this concept is adapted for myocardial stiffness quantification in cardiology applications which is challenging because the heart moves rapidly and is deeply located in the human body.We realized a simple and innovative approach that allows the evaluation of the elasticity of the shear waves using a multidirectional approach. Thus, whatever the prior arrangement of the ultrasound probe, the rigidity of the myocardium and the direction of the myocardial fibers can be evaluated at a predetermined moment of the cardiac cycle.This approach has been transposed to the clinic by developing a medical to allow stiffness evaluation in humans. The development of this medical device is achieved and several prototypes are assembled and disseminated in clinical Parisian centers.The interest of myocardial stiffness as a biomarker of myocardial viability is investigated on a preclinical model of cardiac transplantation. A study on the viability of heart grafts was done during this thesis. If the lack of available grafts is known, there is no solution to assess the viability of the grafts during graft harvesting or transport. In order to provide a new biomarker for graft viability the elastography has been proposed. For this, immerged heart grafts from porcine models were monitored using elastography during the preservation in order to assess their viability.In contrast with conventional Shear Wave Imaging that requires costly and complex multichannel electronics and transducers, this project aims to develop a low cost and portable approach which does not rely on 2D or 3D imaging of the heart. The clinical proof of concept of this technology has been performed on control patients, patients with HF with preserved ejection fraction and patients with cardiac amyloidosis in 6 clinical centers in Paris. This simple and low-cost innovative technology could provide a clear solution to unmet medical needs and thus has great potential for take-up and use by clinicians at hospital but also in other points of cares.
L'insuffisance cardiaque (IC) affecte actuellement 20 millions de personnes en Europe et ce nombre devrait augmenter rapidement dans les années qui viennent. Un diagnostic précoce de l'IC est essentiel pour pouvoir s'attaquer avec succès aux causes sous-jacentes. Cependant, le diagnostic initial est difficile et l'IC n'est diagnostiqué correctement que chez environ la moitié des patients affectés. L'IC à fraction d’éjection préservée, en particulier, qui représente plus de 50% de tous les patients IC, est due à une rigidité ventriculaire anormale qui reste très difficile à évaluer. L'évaluation non-invasive de la rigidité du myocarde reste aujourd'hui un défi et il n'existe actuellement aucune technique permettant d'évaluer la rigidité du myocarde en pratique clinique.Dans cette thèse, un nouveau dispositif à ultrasons est développé permettant une évaluation précise, rapide et non-invasive de la rigidité du muscle cardiaque. Cette approche repose sur l'élastographie par ondes de cisaillement, un concept de physique des ondes développé par notre équipe pour l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Ce concept est adapté à la quantification de la rigidité du myocarde dans les applications de cardiologie, qui est difficile, car le cœur se déplace rapidement et est situé profondément dans le corps humain.Pour ce faire, nous avons réalisé une approche simple et innovante qui permet l'évaluation de l'élasticité des ondes de cisaillement à l’aide d’une approche multidirectionnelle. Ainsi, quelle que soit la disposition préalable de la sonde échographique la rigidité du myocarde et la direction des fibres myocardiques peuvent être évalués, et ce, à un moment prédéterminé du cycle cardiaque.Cette approche a été transposée vers la clinique en développant un dispositif médical répondant aux normes en vigueur afin de permettre l’acquisition chez l’Homme. Le développement de ce dispositif médical est réalisé et plusieurs prototypes sont assemblés et disséminés dans des hôpitaux de la région parisienne.L’intérêt de la rigidité myocardique comme biomarqueur de la viabilité cardiaque est évalué sur un modèle de transplantation cardiaque. Une étude portant sur la viabilité des greffons cardiaques a également été réalisée au cours de cette thèse. Si le manque de greffons disponible est connu, aucune solution permettant d’évaluer la viabilité des greffons lors du prélèvement ou pendant son transport n’existe. Afin d’apporter des outils de quantifications qui permettraient d’orienter les stratégies de prélèvement ou de préservation des organes, l’élastographie a été proposée. Pour cela, des greffons cardiaques immergés provenant de modèles porcins ont été suivi durant leur conservation par élastographie afin d’évaluer leur viabilité.Finalement, la preuve de concept clinique de cette technologie est réalisée grâce à deux études cliniques. Des patients sans atteintes cardiaques, des patients souffrant d'insuffisance cardiaque diastolique ainsi que des patients atteints d’amylose ont été évalués avec le système dans plusieurs hôpitaux parisiens. Cette technologie innovante, simple et peu coûteuse, apporte une solution claire aux besoins médicaux non satisfaits. Elle offre donc un grand potentiel d'adoption et d'utilisation par les cliniciens à l'hôpital, mais également à d'autres praticiens.
Origine : Version validée par le jury (STAR)