Ultrafast Echocardiography

Grâce à son accessibilité, sa polyvalence et sa sécurité, l'échocardiographie est devenue la technique d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la fonction cardiaque. Au vu du succès de l'échographie ultrarapide par ondes planes des techniques similaires pour augmenter la résolution temporelle en échocardiographie ont été mise en oeuvre. L’augmentation de la résolution temporelle de l’échographie cardiaque au-delà des valeurs actuellement atteignables (~ 60 à 80 images par secondes), pourrait être utilisé pour améliorer d’autres caractéristiques de l'échocardiographie, comme par exemple élargir la plage de vitesses détectables en imagerie Doppler couleur limitées par la valeur de Nyquist. Nous avons étudié l'échocardiographie ultrarapide en utilisant des fronts d’ondes ultrasonores divergentes. La résolution temporelle atteinte par la méthode d'ondes divergentes a permis d’améliorer les capacités des modes d’échocardiographie en mode B et en Doppler couleur. La résolution temporelle de la méthode mode B a été augmentée jusqu'à 633 images par secondes, tout en gardant une qualité d'image comparable à celle de la méthode d’échocardiographie conventionnelle. La vitesse de Nyquist de la méthode Doppler couleur a été multipliée jusqu'à 6 fois au delà de la limite conventionnelle en utilisant une technique inspirée de l’imagerie radar; l’implémentation de cette méthode n’aurait pas été possible sans l’utilisation de fronts d’ondes divergentes. Les performances avantageuses de la méthode d'échocardiographie ultrarapide sont supportées par plusieurs résultats in vitro et in vivo inclus dans ce manuscrit.Because of its low cost, versatility and safety, echocardiography has become the most common imaging technique to assess the cardiac function. The recent success of ultrafast ultrasound plane wave imaging has prompted the implementation of similar approaches to enhance the echocardiography temporal resolution. The ability to enhance the echocardiography frame rate beyond conventional values (~60 to 80 fps) would positively impact other echocardiography features, e.g. broaden the color Doppler unambiguous velocity range. We investigated the ultrafast echocardiography imaging approach using ultrasound diverging waves. The high frame rate offered by the diverging wave method was used to enhance the capabilities of both B-mode and color Doppler echocardiography. The B-mode temporal resolution was increased to 633 fps whilst the image quality was kept almost unchanged with reference to the conventional echocardiography technique. The color Doppler Nyquist velocity range was extended to up to 6 times the conventional limit using a weather radar imaging approach; such an approach could not have been implemented without using the ultrafast diverging wave imaging technique. The advantageous performance of the ultrafast diverging wave echocardiography approach is supported by multiple in vitro and in vivo results included in this manuscript

Ultrafast Ultrasound Imaging

Among medical imaging modalities, such as computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging stands out due to its temporal resolution. Owing to the nature of medical ultrasound imaging, it has been used for not only observation of the morphology of living organs but also functional imaging, such as blood flow imaging and evaluation of the cardiac function. Ultrafast ultrasound imaging, which has recently become widely available, significantly increases the opportunities for medical functional imaging. Ultrafast ultrasound imaging typically enables imaging frame-rates of up to ten thousand frames per second (fps). Due to the extremely high temporal resolution, this enables visualization of rapid dynamic responses of biological tissues, which cannot be observed and analyzed by conventional ultrasound imaging. This Special Issue includes various studies of improvements to the performance of ultrafast ultrasoun

Caractérisation de vortex intraventriculaires par échographie Doppler ultrarapide

Les maladies cardiaques sont une cause majeure de mortalité dans le monde (la première cause en Amérique du nord [192]), et la prise en charge de ses maladies entraîne des coûts élevés pour la société. La prévalence de l’insuffisance cardiaque augmente fortement avec l’âge, et, avec une population vieillissante, elle va demeurer une préoccupation croissante dans le futur, non seulement pour les pays industrialisés mais aussi pour ceux en développement. Ainsi il est important d’avoir une bonne compréhension de son mécanisme pour obtenir des diagnostics précoces et un meilleur prognostic pour les patients. Parmi les différentes formes d’insuffisance cardiaque, on trouve la dysfonction diastolique qui se traduit par une déficience du remplissage du ventricule. Pour une meilleure compréhension de ce mécanisme, de nombreuses études se sont intéressées au mouvement du sang dans le ventricule. On sait notamment qu’au début de la diastole le flux entrant prend la forme d’un anneau vortical (ou vortex ring). La formation d’un vortex ring par le flux sanguin après le passage d’une valve a été décrite pour la première fois en 1513 par Léonard de Vinci (Fig. 0.1). En effet après avoir moulé l’aorte dans du verre et ajouter des graines pour observer le flux se déplaçant dans son fantôme, il a décrit l’apparition du vortex au passage de la valve aortique. Ces travaux ont pu être confirmés 500 ans plus tard avec l’apparition de l’IRM [66]. Dans le ventricule, le même phénomène se produit après la valve mitrale, c’est ce qu’on appelle le vortex diastolique. Or, le mouvement d’un fluide (ici le sang) est directement relié a son environnement : la forme du ventricule, la forme de la valve, la rigidité des parois... L’intérêt est donc grandissant pour étudier de manière plus approfondie ce vortex diastolique qui pourrait apporter de précieuses informations sur la fonction diastolique. Les modalités d’imagerie permettant de le visualiser sont l’IRM et l’échographie. Cette thèse présente l’ensemble des travaux effectués pour permettre une meilleure caractérisation du vortex diastolique dans le ventricule gauche par imagerie ultrasonore Doppler. Pour suivre la dynamique de ce vortex dans le temps, il est important d’obtenir une bonne résolution temporelle. En effet, la diastole ventriculaire dure en moyenne 0.5 s pour un coeur humain au repos, une cadence élevée est donc essentielle pour suivre les différentes étapes de la diastole. La qualité des signaux Doppler est également primordiale pour obtenir une bonne estimation des vitesses du flux sanguin dans le ventricule. Pour étudier ce vortex, nous nous sommes intéressés à la mesure de sa vorticité en son centre v et à l’évolution de cette dernière dans le temps. Le travail se divise ainsi en trois parties, pour chaque un article a été rédigé : 1. Développement d’une séquence Doppler ultrarapide : La séquence se base sur l’utilisation d’ondes divergentes qui permettent d’atteindre une cadence d’image élevée. Associée à la vortographie, une méthode pour localiser le centre du vortex diastolique et en déduire sa vorticité, nous avons pu suivre la dynamique de la vorticité dans le temps. Cette séquence a permis d’établir une preuve de concept grâce à des acquisitions in vitro et in vivo sur des sujets humains volontaires. 2. Développement d’une séquence triplex : En se basant sur la séquence ultrarapide Doppler, on cherche ici à ajouter des informations supplémentaires, notamment sur le mouvement des parois. La séquence triplex permet non seulement de récupérer le mouvement sanguin avec une haute cadence d’images mais aussi le Doppler tissulaire. Au final, nous avons pu déduire les Doppler couleur, tissulaire, et spectral, en plus d’un Bmode de qualité grâce à la compensation de mouvement. On peut alors observer l’interdépendance entre la dynamique du vortex et celle des parois, en récupérant tous les indices nécessaires sur le même cycle cardiaque avec une acquisition unique. 3. Développement d’un filtre automatique : La quantification de la vorticité dépend directement des vitesses estimées par le Doppler. Or, en raison de leur faible amplitude, les signaux sanguins doivent être filtrés. En effet lors de l’acquisition les signaux sont en fait une addition des signaux sanguins et tissulaires. Le filtrage est une étape essentielle pour une estimation précise et non biaisée de la vitesse. La dernière partie de ce doctorat s’est donc concentrée sur la mise au point d’un filtre performant qui se base sur les dimensions spatiales et temporelles des acquisitions. On effectue ainsi un filtrage du tissu mais aussi du bruit. Une attention particulière a été portée à l’automatisation de ce filtre avec l’utilisation de critères d’information qui se basent sur la théorie de l’information.Heart disease is one of the leading causes of death in the world (first cause in North America [192]), and causes high health care costs for society. The prevalence of heart failure increases dramatically with age and, due to the ageing of the population, will remain a major concern in the future, not only for developed countries, but also for developing countries. It is therefore crucial to have a good understanding of its mechanism to obtain an early diagnosis and a better prognosis for patients. Diastolic dysfunction is one of the variations of heart failure and leads to insufficient filling of the ventricle. To better understand the dysfunction, several studies have examined the blood motion in the ventricle. It is known that at the beginning of diastole, the filling flow creates a vortex pattern known as a vortex ring. This development of the ring by blood flow after passage through a valve was first described in 1513 by Leonardo Da Vinci (Fig. 0.1). After molding a glass phantom in an aorta and adding seeds to visually observe the flow through the phantom, he could describe the vortex ring development of the blood coming out of the aortic valve. His work was confirmed 500 years later with the emergence of MRI [66]. The same pattern can be observed in the left ventricle when the flow emerges from the mitral valve, referred to as the diastolic vortex. The flow motion (in our case the blood) is directly related to its environment : shape of the ventricle, shape of the valve, stiffness of the walls... There is therefore a growing interest in further studies on this diastolic vortex that could lead to valuable information on diastolic function. The imaging modalities which can be used to visualize the vortex are MRI and ultrasound. This thesis presents the work carried out to allow a better characterization of the diastolic vortex in the left ventricle by Doppler ultrasound imaging. For temporal monitoring of vortex dynamics, a high temporal resolution is required, since the ventricular diastole is about 0.5 s on average for a resting human heart. The quality of Doppler signals is also of utmost importance to get an accurate estimate of the blood flow velocity in the ventricle. To study this vortex, we focused on evaluating the core vorticity evaluation and especially on its evolution in time. The work is divided in three parts, and for each of them an article has been written : 1. Ultrafast Doppler sequence : The sequence is based on diverging waves, which resulted in a high frame rate. In combination with vortography, a method to locate the vortex core and derive its vorticity, the vortex dynamics could be tracked over time. This ix sequence could establish a proof of concept based on in vitro and in vivo acquisitions on healthy human volunteers. 2. Triplex sequence : Based on the ultrafast sequence, we were interested in adding information on the wall motion. The triplex sequence is able to recover not only the blood motion with a high framerate but also tissue Doppler. In the end, we could derive color, tissue, and spectral Doppler, along with a high quality Bmode by using motion compensation. The interdependence between vortex and walls dynamics could be highlighted by acquiring all the required parameters over a single cardiac cycle. 3. Automatic clutter filter : Vorticity quantification depends directly on the estimation of Doppler velocity. However, due to their low amplitude, blood signals must be filtered. Indeed, acquired signals are actually an addition of tissue and blood signals. Filtering is a critical step for an unbiased and accurate velocity estimation. The last part of this doctoral thesis has focused on the design of an efficient filter that takes advantage of the temporal and spatial dimensions of the acquisitions. Thus the tissue alongside the noise is removed. Particular care was taken to automatize the filter by applying information criteria based on information theory

Multi- Modal Characterization Of Left Ventricular Diastolic Filling Physiology

Multiple modalities are clinically used to quantify cardiovascular function. Most clinical indexes derived from these modalities are empirically derived or correlation- based rather than causality based. Hence these indexes don\u27t provide insight into cardiac physiology and the mechanism of dysfunction. Our group has previously developed and validated a mathematical model using a kinematic paradigm of suction- initiated ventricular filling to understand the mechanics of early transmitral flow and the associated physiology/ pathophysiology. The model characterizes the kinematics of early transmitral flow analogous to a damped simple harmonic oscillator with lumped parameters- ventricular stiffness, ventricular viscoelasticity/ relaxation and ventricular load. The current research develops the theme of causal mechanism based quantification of physiology and uses the kinematic model to study intraventricular fluid mechanics in diastole. In the first project, the role of vortex rings in efficient diastolic filling was investigated. Vortex rings had been previously characterized by a dimensionless index called vortex formation time (VFT). We re- expressed VFT in terms of ventricular kinematic properties- stiffness, viscoelasticity and volumetric preload, using the kinematic model. This VFTkinematic could be calculated using data from a clinical echocardiographic study. The VFTkinematic was a sensitive to physiologic changes as verified by its correlation with a clinically used echo- based index of filling pressure. Additionally, we demonstrated that VFTkinematic, by factoring the ventricular expansion rate, could differentiate between normal filling pattern and pseudonormal filling pattern which is characteristic of moderate DD. Continuing on our study of intraventricular fluid mechanics, we next studied the development of vortex ring in the ventricle. We discovered that as the vortex ring develops, the leading edge of the circulating flow passes through the main inflow tract. This causes an extra flow wave recorded in transmitral Doppler echocardiography (in addition to early and late filling waves) that had been observed previously. By using cardiac magnetic resonance (CMR) and echocardiography to independently measure intraventricular vortexes we were able to provide a causal explanation for the extra flow wave and its clinical consequences. We developed another approach to quantify the effect of chamber kinematics on filling via directional flow impedances. In the ventricle, both pressure and flow rate are oscillatory and pressure oscillations cause flow rate changes. Hence a frequency based approach via impedance, to quantify the relationship between pressure and flow rate is intuitive. We developed expressions for longitudinal and transverse flow impedances which could be computed from cardiac catheterization and echocardiographic data. Longitudinal and transverse flow impedances allowed us to quantify the previously observed directionality of filling as a function of harmonics and use it as an index to measure pathophysiologic changes. While fluid mechanics based indexes provide a method to evaluate LV chamber kinematics in diastole, an alternate approach for DF quantification is LV hemodynamic assessment. Since, LV filling is influenced by pressure changes before and during filling, we investigated the spatial pressure gradient in the LV. We measured the pressure difference between the LV apex and mid-LV using catheterization and we found a larger gradient exists during isovolumic relaxation (2- 3 times) as compared to filling. Additionally, the rate of pressure decay as quantified by different models of relaxation was also significantly different at the two locations. Additionally, we developed a new method for load independent hemodynamic analysis of the cardiac cycle. Load represents the pressure against which the ventricle has to fill and eject and most LV function indexes are load dependent, which can confound the diagnosis of dysfunction. We computed load independent cardiac cycle hemodynamics by normalizing LV pressure and the rate of change of pressure (dP/dt). Normalization revealed the presence of conserved kinematics during isovolumic relaxation particularly the normalized pressure at peak negative dP/dt while a similar feature was not observed during the contraction. These studies demonstrate the advantage of mechanism based approaches to quantify diastolic physiology

心臓内血流動態可視化のための血球エコーの高フレームレート超音波イメージング

Tohoku University金井浩課