L'utilisation de l'imagerie médicale et de mesures électrophysiologiques pour l'étude du cœur permet de mieux comprendre son fonctionnement et les pathologies cardiaques, de fournir des outils d'aide au diagnostic et à la planification de thérapies. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'exploitation de ces données sous deux angles différents. La première partie du travail concerne l'estimation de mouvements dans des séquences d'images échocardiographiques à l'aide de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI). La deuxième partie de ce travail concerne l'analyse de mesures de l'activité électrique du cœur en estimant des paramètres d'un modèle électrophysiologique du cœur. La modalité TDI fournit une information quantitative sur la vitesse des tissus dans la direction de la sonde échographique. Le but de ce travail est d'étudier la déformation du muscle cardiaque en utilisant conjointement le TDI et l'échographie classique. Notre approche combine des calculs de flot optique par la méthode de Horn et Schunck sur la séquence classique d'images échographiques, la mesure partielle de vitesse issue de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI) et une régularisation spatio-temporelle pour estimer les champs de vitesse dans un cadre variationnel. Nous validons cette méthode sur des données synthétiques puis nous l'utilisons sur des séquences réelles. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'estimation de paramètres du modèle d'Aliev et Panfilov de propagation du potentiel d'action dans les ventricules en utilisant des mesures électrophysiologiques. Grâce à une collaboration avec le ''National Institutes of Health'', nous disposons des temps de dépolarisation mesurés sur l'épicarde de plusieurs cœurs de chiens. Les méthodes classiques ne permettent pas de minimiser l'écart entre le modèle et les données dans ce cas spécifique. Après une étape d'ajustement global, nous proposons de minimiser l'écart quadratique entre les données et le modèle en fonction d'un des paramètres que nous faisons varier localement. Le paramètre choisi est le coefficient de diffusion que nous appelons conductivité apparente car ses variations reflètent à la fois les variations de conductivité et les variations des paramètres de réaction. En utilisant la causalité de la propagation modélisée, nous ramenons le problème à des minimisations unidimensionnelles successives par la méthode de Brent. Nous appliquons cette approche à des données réelles dans des cas normaux et aussi dans des cas de cœurs infarcis. Dans ce dernier cas, nous trouvons une forte corrélation entre les zones de faibles conductivités apparentes et l'infarctus. A l'issue de ce travail, nous envisageons l'utilisation de ces méthodes avec des mesures moins invasives telles que celles obtenues par des systèmes intracavitaires sans contact ou même des électrocardiogrammes. Une autre perspective pour ce travail est l'estimation de paramètres d'un modèle du fonctionnement électromécanique du cœur à partir d'images de déplacement comme celles obtenues grâce à l'IRM marquée.

Lors de la systole, le ventricule gauche (VG) se déforme suite à la contraction des cardiomyocytes. De part l'orientation en spirale des fibres myocardiques, ces déformations incluent un mouvement de torsion, la base et l'apex du VG tournant dans des sens opposés. L'emmagasinement d'énergie élastique par ce mécanisme et surtout sa restitution très précoce en début de diastole jouent un rôle clé dans le remplissage ventriculaire gauche. Les objectifs de ce travail ont été d'étudier les adaptations mécaniques ventriculaires gauche en se focalisant sur le rôle de la torsion 1) lors d'un exercice d'intensité croissante chez le sujet sédentaire jeune, 2) suite à l'entrainement aérobie au repos et lors d'un exercice d'intensité croissante et, 3) concomitantes aux dysfonctions cardiaques observées après un exercice épuisant de longue durée. Pour cela, nous avons effectué des échocardiographies au repos et/ou lors d'épreuves d'effort d'intensité croissante en incluant l'utilisation d'un nouvel outil échocardiographique basé sur le "speckle tracking" (STE). Nos résultats soulignent le rôle clé de la torsion dans le couplage systole - diastole à l'effort. De plus, nos résultats montrent une modification des adaptations mécaniques ventriculaires gauche à l'effort en parallèle à l'amélioration de la fonction diastolique chez les sportifs entrainés en endurance aérobie. Enfin, la dysfonction ventriculaire gauche transitoire observée après un exercice épuisant de longue durée est caractérisée par une diminution et un décalage dans le temps de la torsion, limitant probablement la diminution précoce des pressions intraventriculaires gauche et donc le remplissage. L'ensemble de ces résultats mettent en évidence, d'une part, l'intérêt de l'évaluation par STE de la mécanique ventriculaire gauche au repos et à l'effort, et d'autre part le rôle clé du mécanisme de torsion - détorsion dans l'explication de fonctions diastoliques améliorées ou altérées

L’objectif de cette thèse est d'étudier le ventricule droit (VD) dans différentes conditions de charge en utilisant imagerie et modélisation. Le premier axe de ce travail est une étude prospective qui analyse la déformation VD chez des patients sains et avec hypertension pulmonaire (HTP) en utilisant l’échocardiographie trans-thoracique 3D. Les maillages VD ont été obtenus par tracking myocardique et post-traités afin d’extraire le strain de surface. Les correspondances spatiotemporelles ont été vérifiées avant de réaliser les statistiques des maillages. La forme et déformation globale VD sont associées à la sévérité de l'HTP et donnent des informations pronostiques. Le deuxième axe de ce travail présente le rôle d'une évaluation longitudinale par rapport à celui d’une évaluation instantanée, en utilisant la même méthodologie. Nous avons démontré la valeur ajoutée pronostique des modifications dans le temps de déformation VD et l'importance du septum. Dans le troisième axe, les aspects complémentaires de la forme (définie par la courbure) et déformation VD ont été évalués dans des populations de surcharge en volume VD. Alors que forme et déformation sont altérés chez les patients avec tétralogie de Fallot, seule la forme a permis de différencier les patients avec CIA des témoins. Enfin, dans le dernier axe, nous avons étudié la valeur ajoutée de la personnalisation d'un modèle circulatoire 0D pour caractériser la pathologie et prédire la réponse au traitement dans l’hypertension artérielle pulmonaire. Le modèle a été personnalisé pour 11 patients avant et après traitement spécifique de l’HTP. Les paramètres du modèle reflètent bien les changements attendus avec la thérapie. / The aim of this thesis is to study the right ventricle (RV) in different loading conditions using imaging and modelling. The first axis of this work was a prospective study in which we studied RV deformation in healthy controls and pulmonary hypertension (PH) patients (pressure overload) using 3D transthoracic RV echocardiographic sequences. Output RV meshes; obtained after myocardial tracking; were post-processed to extract area strain and spatiotemporal correspondences were checked before computing statistics on these meshes. RV shape and strain patterns were gradually deteriorated with the severity of PH and provided independent prognostic information. The second axis of this work focused on the role of a longitudinal evaluation in comparison with a single assessment at baseline, using the same methodology. We demonstrated the additional prognostic value of changes in RV area strain and the importance of septal segments. In the third axis, we assessed the complementary aspects of RV deformation and shape (using curvature index) in RV volume overload patients. While shape and strain are both altered in tetralogy of Fallot patients, only RV shape allows to differentiate atrial septal defects from normal controls. Finally, in the last axis, we focused on the added value of the personalisation of a 0D circulation model to characterize the pathology and predict the response to therapy in pulmonary arterial hypertension. The model was personalised to 11 PH patient data before and after advanced specific PH therapy. The model parameters reflected accurately the expected changes with therapy.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le ventricule droit (VD) fut longtemps oublié par les cardiologues mais l'expérience a montré qu'il conditionne le pronostic des patients dans de nombreuses situations cliniques et que l'évaluation de sa fonction est un élément diagnostique majeur lorsqu'une pathologie du VD est suspectée. Après une revue des différentes méthodes d'évaluation de la fonction ventriculaire droite, cette thèse explore tout d'abord les limites des deux méthodes d'évaluation du VD les plus répandues (IRM et échographie) : Premièrement, les indices de contraction longitudinale en échographie ne permettent pas de dépister correctement les altérations de la fraction d'éjection dans la situation d'une surcharge volumétrique notamment. Deuxièmement, l'IRM en coupes petit-axe présente des difficultés importantes de délinéation de l'endocarde. Les principaux écarts de contours entre deux observateurs concernent l'infundibulum pour 40% et la valve tricuspide pour 40% également. Dans une troisième partie, nous proposons un indice géométrique simple à calculer lors d'un examen IRM et permettant de pré-sélectionner les patients nécessitant une étude précise du VD. Cet indice validé sur 340 patients réduit le temps opérateur de 35% sans entrainer d'erreur diagnostique. La dernière partie de cette thèse s'intéresse à la mesure de la vitesse tissulaire du myocarde et aux indices fonctionnels qui en dérivent. Cette mesure nécessite une haute résolution temporelle qui peut être atteinte en IRM en respiration libre au prix d'une augmentation de la durée d'acquisition / The right ventricle (RV) has been neglected for a long time by cardiologists. Only recently, it has been pointed out as yielding pronostic or diagnostic value in numerous clinical situations. This thesis, after a review of the different methods used to assess the right ventricular function, stresses the limitations of the two most used methods to assess RV function: 1) Long-axis contraction indices fail to predict ejection fraction in a volumetric overload situation. 2) Short-axis MRI relies upon a rather difficult manual contouring of the endocardium. The main variation in this contouring occurs in the infundibulum (40%) and in the basal part around the tricuspid valve (40%). Then, we propose a novel geometric indice, easy to compute during a MRI examination and aimed to select the patients needing an accurate RV study. This index was validated within 340 patients and reduced the operator time of 35% without inducing any diagnostic error. The last part of this thesis concerns tissue phase-mapping. High temporal resolution is the key point for the accuracy of myocardial velocities and can be achieved by a simple averaging during free-breathing at the expense of longer acquisitions

Le vieillissement cardiaque est fortement associé à l’apparition d’une fibrose pouvant entrainer une dysfonction progressive du remplissage et de l’éjection ventriculaire. Le dépistage du remodelage et du vieillissement cardiovasculaire sont primordiaux afin de proposer des stratégies de prévention et de prises en charge spécifiques visant à retarder l’apparition ou ralentir la progression d’une insuffisance cardiaque à fraction d’éjection préservée. Les outils cliniques, biologiques ou d’imagerie sont insuffisamment performants à l’heure actuelle pour dépister ces modifications précoces ou prédire l’apparition de remodelage ultérieur de façon efficace. La réalisation d’une méta-analyse avec revue de la littérature, nous a permis de montrer la valeur de la déformation myocardique comme marqueur du remodelage cardiovasculaire dans le post-infarctus, mais nous a aussi éclairé sur la complexité du phénomène et le manque de preuves sur sa potentielle valeur additionnelle en pratique clinique. Après avoir validé les différents outils de quantification du remodelage dans nos cohortes, nous avons montré l’importance d’une expertise précise de la morphologie et de la fonction cardiaque lors d’un évènement aigu pour prédire un remodelage ultérieur. Nous avons précisé le rôle de la déformation myocardique dans la quantification de la taille de l’infarctus, sa sévérité et son éventuelle extension au ventricule droit. Enfin, nous avons mis en relation les paramètres de contractilité et de fonction vasculaire en montrant la valeur du couplage ventriculo artériel mesuré en IRM. Ces travaux ouvrent la voie pour une stratégie d’évaluation d’imagerie précoce en post-infarctus pouvant orienter les thérapeutiques de revascularisation et/ou de réhabilitation / Cardiovascular aging is strongly associated with myocardial fibrosis and progressive LV systolic/diastolic dysfunction including vascular stiffening. Cardiac remodeling with left ventricular parietal stress and hypertrophy take place over several years and can ultimately lead to the occurrence of heart failure. Clinical, biological or imaging tools are currently insufficient to detect early changes or to predict the onset of subsequent remodeling in an effective manner. However, if subclinical structural and functional cardiac abnormalities are not detected by conventional echocardiographic techniques, they may be evaluated by others imaging tools with the measurement of myocardial deformation parameters. We performed a systematic review suggesting that deformation imaging is associated with left ventricular volume and function changes regardless the mechanisms and deformation direction. But added strain predictive value over other clinical, biological and imaging variables remains to prove. After validation of various remodeling indices, we proved the add value of a comprehensive assessment of ventricule geometry and function to evaluate remodeling after an acute event. We confirmed the central role of myocardial deformation for infarct size quantification and detect right ventricle extension. Finally, we used vascular function measured by MRI to demonstrate the relation between ventriculo-arterial coupling and remodeling. Further studies are needed to assess the gain in information provided by strain and these new biomarkers.

L’analyse de la fonction systolique en échocardiographie représente un challenge majeur depuis une vingtaine d’années dans le but d’améliorer la détection et la quantification des anomalies de la contraction myocardique. L’analyse des déformations myocardiques consiste à étudier le pourcentage d’étirement ou de raccourcissement myocardiques au cours du cycle cardiaque. Après le grand pas en avant dans ce domaine, consécutif à l’avènement du Doppler tissulaire il y a un quinzaine d’années, ces 4 dernières années ont vu naître une nouvelle technique d’analyse bidimensionnelle des déformations, porteuse de grands espoirs car s’affranchissant de la limitation liée à l’angle d’incidence Doppler et basée sur le suivi des marqueurs acoustiques de la paroi myocardique : le « speckle tracking echocardiography » ou « 2D strain ». Cette thèse rapporte tout d’abord une série de travaux orientés sur la validation de ce nouvel outil. Nous avons ensuite appliqué expérimentalement cette technique pour évaluer sa capacité à détecter l’ischémie myocardique lors d’un examen de stress sous dobutamine en comparaison à l’analyse de perfusion myocardique en échographie de contraste. Enfin, nous exposons plusieurs expériences cliniques qui témoignent de quelques applications potentielles de cette technique dans la prise en charge des patients porteurs de cardiopathies diverses : myocardiopathie hypertrophique, fibrillation auriculaire paroxystique et recherche de viabilité sous faibles doses de dobutamine chez les patients porteurs d’une cardiopathie ischémique. / For 20 years, analysis of systolic myocardial function by echocardiography is a major challenge to improve the detection and the quantification of myocardial contractility abnormalities. The principle of myocardial deformation analysis consists in evaluating the percentage of myocardial thickening or shortening during the cardiac cycle. After a big step forward with the advent of tissue Doppler imaging for 15 years, the 4 last years have seen the apparition of a new technique of bidimensional analysis, without angle dependency, based on the tracking of the acoustic markers of the myocardial wall, and called « speckle tracking echocardiography » or « 2D strain ». This thesis reports serial studies oriented on the validation of this new tool and on the experimental application of this technique in the detection of myocardial ischemia during pharmacological dobutamine stress echocardiography, in comparison with myocardial perfusion analysis by contrast echocardiography. Finally, we report some clinical experiences using the speckle tracking echocardiography which attest of some clinical potential applications of this technique in the management of the patients with different cardiomyopathies: hypertrophic cardiomyopathy, lone paroxysmal atrial fibrillation, and analysis of myocardial regional deformation during low doses dobutamine infusion to investigate viability in patients with ischemic cardiomyopathy.

L'objectif général de notre travail de thèse a été d'évaluer le rapport bénéfice/risque cardiovasculaire de l'exercice immergé. L'exercice immergé est contraignant pour le système cardiovasculaire. Il est potentiellement responsable d'une majoration de la perméabilité et/ou du gradient de pression de la barrière alvéolo-capillaire. Cet effet passe par le biais d'un accroissement des charges cardiaque et respiratoire, une sécrétion de peptides natriurétiques et une hémodilution. L'exposition au froid, la consommation d'anti-inflammatoires non stéroïdiens et la réalisation d'un exercice de forte intensité majorent le risque de survenue d'un oedème pulmonaire d'immersion. L'exercice immergé a également des effets bénéfiques. La pratique d'un sport aquatique aurait le même effet anti-hypertenseur que les activités réalisées en ambiance sèche. Par ailleurs, des différences de sollicitation endothéliale pourraient exister, en fonction des modalités d'exercice ou de la position du sujet. L'exercice immergé pourrait être plus efficace sur la perte de poids et le contrôle des facteurs de risque cardiovasculaires métaboliques, par le biais des sécrétions endocrines qu'il induit. Enfin, le réchauffement cutané associé à l'immersion dans une eau thermiquement neutre semble cardio-protecteur. / The aim of our PhD was to hold up the knowledge about risks and benefits of immersed exercise.Immersed exercise is a stress for cardiovascular system. It may result in an increase in permeability and/or pressure gradient, at the level of alveolar-capillary membrane. These effects result from an increase in cardiac and respiratory load, a natriuretic peptide secretion, and hemodilution. Exposure to cold, non-steroïdal anti-inflammatory drugs, and high intensity exercise increase the risk of a pulmonary oedema of immersion occurrence. Immersed exercise also have beneficial effects. Our observatsion suggest that immersed exercise have the hypotensive effects as ambient air exercise. Differences in endothelial stimulation may exist, depending on exercise modalities. Immersed exercise may even be more efficient on weight loss and cardiovascular risk factors control than ambient air exercise, through alterations in endocrine secretions. At the end, the global warming of the skin related to immersion in thermoneutral water appears to be cardio-protective.

L'échocardiographie est la modalité d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la morphologie et la fonction cardiaque. Il s'agit d'un outil non invasif pour le diagnostic et l'évaluation des maladies cardiaques et il permet en outre de surveiller la réponse au traitement. Cependant, la quantification des événements cardiaques rapides demeure un défi avec la cadence d’imagerie actuellement réalisable, en particulier dans des applications telles que l'échocardiographie d'effort. De plus, cette limitation devient plus prononcée en imagerie 3D conventionnelle focalisée en raison du temps nécessaire pour insonifier et acquérir un volume complet. Le fait que l’on puisse actuellement atteindre au mieux ~20 volumes par seconde est l'une des raisons qui limitent son utilisation courante dans la pratique clinique. Des améliorations dans ce domaine permettraient d'exploiter l'important potentiel de l'imagerie 3D pour la quantification complète de la déformation cardiaque.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de développer des méthodes à haute cadence d'images et de tester leur performance dans des conditions réalistes visant la prise de décision pour une transition vers la pratique clinique. Pour atteindre cet objectif, des expériences in vitro et in vivo ont été menées en utilisant l'imagerie 2D et 3D. Notre première contribution a été une comparaison 2D entre deux modalités à haute cadence d'images en termes de qualité d'image et de performance d'estimation de mouvement. Motivés par nos résultats 2D mais surtout par le défi d'implémenter le MLT dans la pratique, nous avons étendu cette approche en 3D. Nous avons étudié la faisabilité de la MLT 3D dans des conditions statiques et dynamiques. Enfin, comme l’évaluation de nouvelles approches dans des conditions physiologiques de flux complexes constitue un pas en avant vers la transition clinique, notre troisième contribution a consisté à valider des modalités 2D et 3D à haut cadence d'images sur un fantôme du vortex / Echocardiography is the most widely used imaging modality for assessing cardiac morphology and function. It does provide a non-invasive tool in diagnosis and assessment of heart diseases and it allows, in addition, monitoring the response to the treatment. However, quantifying fast cardiac events remains a challenge when using the current achievable frame rate, especially in applications such as stress-echocardiography. Moreover, this limitation becomes more pronounced in 3D conventional focused imaging due to the time needed to insonify and acquire a full volume. The fact that only ~20 volumes per second can currently be achieved is one of the reasons restricting its common usage in clinical practice. Improvements in this field would allow exploiting the important potential of 3D imaging in providing a full quantification of cardiac deformation.In this context, the aim of this thesis was to develop high frame rate methods and to test their performance in realistic conditions aiming decision making towards clinical translation. To achieve this objective, both in vitro and in vivo experiments were conducted using 2D and 3D imaging. Our first contribution was a 2D comparison between two high frame rate modalities in terms of image quality and motion estimation performance. Motivated by our 2D results but especially by the challenge of implementing MLT in practice, we extended this approach to 3D. We studied the feasibility of 3D MLT in both static and dynamic conditions. Finally, as testing novel approaches in physiological complex flows conditions is a step forward towards clinical translation, our third contribution was to validate 2D and 3D high frame rate modalities on a ring vortex phantom

Contexte : Les maladies valvulaires dégénératives (MVD) représentent la pathologie cardiaque acquise la plus fréquente chez le chien. Malgré une recherche active, à l’heure actuelle aucun traitement étudié ne s’est avéré efficace dans le traitement du stade asymptomatique de la condition. Le pimobendane est un nouvel agent inodilatateur, qui s’est montré prometteur dans le traitement des stades avancés des MVD, mais peu est connu sur ses effets hémodynamiques et son impact sur le volume de régurgitation dans les MVD naturelles asymptomatiques. Hypothèses : L’introduction du pimobendane réduit la fraction de régurgitation (FR) chez les chiens atteints de MVD asymptomatiques. Sujets étudiés : Vingt-quatre chiens de compagnie, appartenant à la clientèle du Centre Hospitalier Universitaire Vétérinaire (CHUV) de l’université de Montréal et affectés par une MVD de classe ISACHC 1b. Méthode: Étude prospective, contrôlée et conduite à l’aveugle. Les chiens ont été assignés à un groupe traitement (n=19) recevant du pimobendane (0,2-0,3 mg/Kg q12h) ou à un groupe contrôle (n=5). Les évaluations échocardiographiques ont été effectuées sur une période de 6 mois. Résultats : L’introduction du pimobendane n’a pas été associée à une diminution de la FR chez les chiens affectés par une MVD asymptomatique de classe ISACHC 1b au cours de l’étude (p=0,85). Une augmentation significative de la fraction d’éjection (80,8 +/- 1,42 vs. 69,0 +/- 2,76, p=0,0064) ainsi qu’une baisse du diamètre ventriculaire gauche télé systolique (p=0.011) ont été observées chez le groupe pimobendane au jour 30. Toutefois, cet effet sur la fonction systolique n’a pas persisté au cours des 6 mois d’évaluation. / Background: Mitral Valve disease (MVD) is the most common acquired cardiac affectation of the dog, and is therefore associated with an undeniable clinical and economical importance for veterinarians and pet owners. Despite active research, at this time no known treatment has been proven to delay the onset of congestive heart failure. Pimobendan is a novel inodilator that has shown promising results in the treatment of advanced MVD, but little is known about its hemodynamic effects, especially regarding the mitral regurgitant volume in naturally occurring asymptomatic MVD. Hypothesis: Administration of pimobendan decreases the regurgitant fraction (RF) of dogs with asymptomatic MVD. Animals: Twenty-four client-owned dogs affected by ISACHC class Ib MVD. Methods: Prospective, blinded, controlled clinical trial. Dogs were assigned to a pimobendan (0.2-0.3 mg/Kg q12h) treatment group (n=19) or a control group (n=5). Echocardiographic evaluations were performed over a 6 month study period. Results: Administration of pimobendan to treatment did not decrease the RF of dogs affected by asymptomatic class 1b MVD over the study period (p=0.85). There was a significant increase in the ejection fraction of the pimobendan treated dogs at day (80.8 +/- 1.42 vs. 69.0 +/- 2.76, p=0.0064), and a decrease in systolic left ventricular diameter (p=0.011). However, this improvement in systolic function was not sustained over the 6 month trial period.