Die vorliegende Arbeit beschreibt die Rolle der intraoperativen transösophagealen Echokardiografie während herzchirurgischer Eingriffe mit Schwerpunkt Mitralklappenrekonstruktion. Ziel ist die Beschreibung der Aufgaben und Möglichkeiten dieses Verfahrens im klinischen Alltag und das Aufzeigen möglicher neuer Einsatzgebiete, wie die bildgestützte Größenbestimmung der Annuloplastieringe. Die intraoperative Echokardiografie hat sich seit den Anfängen in den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts zu einem Standardverfahren während herzchirurgischer Eingriffe entwickelt. Sie dient zum einen zur kardialen Diagnostik und zum anderen als Monitorverfahren. Trotz in der Regel gut vordiagnostizierter Patienten führt die intraoperativ durchgeführte transösophageale Echokardiografie während herzchirurgischer Eingriffe nicht selten zur Diagnose vorher nicht bekannter Pathologien und somit zu einer Änderung im chirurgischen Vorgehen. Speziell während der Mitralklappenrekonstruktion ermöglicht diese Methode die Diagnostik und Lokalisation der pathologischen Segmente, die Bestätigung des Schweregrades und dem Erkennen möglicher Risikofaktoren. Hierfür ist jedoch eine umfassende, standardisierte Untersuchung notwendig. Der Einsatz moderner Operationstechniken, wie z.B. der kathetergestützten Implantation der Aortenklappe ohne Einsatz der Herz-Lungen-Maschine, ohne Eröffnung des Sternums, macht eine direkte visuelle Einschätzung der Herzfunktion unmöglich. Sowohl zur Evaluierung der Herzfunktion als auch zur Größenbestimmung der zu implantierenden Klappenprothesen ist ein bildgebendes Verfahren unabdingbar. Die dreidimensionale transösophageale Echokardiografie ermöglicht nun in Echtzeit die komplette Darstellung z.B. der Mitralklappe. Dies erleichtert nicht nur die Verständigung zwischen Echokardiographeur und Chirurgen bei der Darstellung der Befunde, sondern ermöglicht nun erstmals auch die bildgestützte Planung des operativen Vorgehens, wie, z.B. die Visualisierung und Größenbestimmung der zu implantierenden Annuloplastieringe, die als Computermodelle auf die dreidimensionale Darstellung der Mitralklappe projiziert werden können. In der postoperativen TEE-Untersuchung ist die Evaluierung des rekonstruierten Mitralklappenapparates, die Quantifizierung einer eventuell bestehenden residualen Mitralinsuffizienz, sowie deren genaue Lokalisation primäres Ziel. Weiterhin sollten iatrogen aufgetretene Komplikationen in einer umfassenden postoperativen TEE-Untersuchung diagnostiziert werden wie z.B. der Verschluss des Ramus circumflexus, Aortendissektion, etc. Zusammenfassend wird in dieser Habilitationsarbeit die Rolle der intraoperativen Echokardiografie bei herzchirurgischen Eingriffen dargestellt. Ein besonderer Schwerpunkt in dieser Arbeit ist die transösophageale Echokardiographie bei Mitralklappenoperationen im Hinblick auf die Darstellung der bestehenden Pathologie, der Quantifizierung der Mitralinsuffizienz und dem Erkennen bestehender Risikofaktoren präoperativ bzw das Erkennen der Komplikation postoperativ.:1. Einführung in die Thematik 5 1.1. Einführung 5 1.2. Grundlage der vorliegenden Habilitationsarbeit 5 1.3. Intraoperative Echokardiografie in der Kardioanästhesie 5 1.4. Intraoperative Echokardiografie bei chirurgischer Mitralklappenrekonstruktion 8 1.5 .Die dreidimensionale transösophageale Echokardiographie zur bildgestützten Größenbestimmung des Annuloplastieringes während Mitralklappenrekonstruktion 9 2. Habilitationsschrift 11 2.1. Geschichte der Echokardiographie 11 2.2. Geschichte der Entwicklung der transösophagealen Echokardiographie 11 2.3. Einsatz der intraoperativen transösophagealen Echokardographie 12 2.3.1 Eigene Arbeit im Original: 13 2.3.2. Eigene Arbeit im Original 13 2.3.4. Echokardiographische Kontrolle von mechanischen Unterstützungssystemen 14 2.3.5. Transösophageale Echokardiografie bei kathetergestützter Aortenklappen- Implantation 15 2.3.5.1. Eigene Arbeit im Original: 16 2.3.5.2. Eigene Arbeit im Original: 16 2.3.6. Einfluss der intraoperativen Echokardiografie bei herzchirurgischen Eingriffen. 17 2.3.6.1. Eigene Arbeit im Original: 17 2.3.6.2. Eigene Arbeit im Original: 18 2.4. Intraoperative Echokardiographie bei Mitralklappenrekonstruktion 20 2.4.1. Einführung 20 2.4.2. Aufgabe der intraoperativen Echokardiographie bei Mitralklappenrekonstruktion 20 2.4.2.1. Beurteilung der Morphologie und Funktion des Mitralklappenapparates 21 2.4.2.1. Eigene Arbeit im Original: 30 2.4.2.2. Erkennen der Ursachen der Mitralinsuffizienz 31 2.4.2.2.1. Eigene Arbeit im Original: 34 2.4.2.2.2 Eigene Arbeit im Original: 35 2.4.2.3. Bestimmung des Schweregrades der Mitralinsuffizienz mittels intraoperativer Echokardiografie 36 2.4.2.4. Beurteilung der systolischen Funktion bei vorhandener Mitralinsuffizienz 38 2.4.2.4.1. Hilfestellung bei der chirurgischen Planung 39 2.4.2.4.2. Eigene Arbeit im Original: 39 2.4.2.4.3. Eigene Arbeit im Original: 40 2.4.2.4.4 Eigene Arbeit im Original: 41 2.4.3. Die dreidimensionale transösophageale Echokardiographie zur bildgestützten Größenbestimmung des Annuloplastieringes während Mitralklappenrekonstruktion 42 2.4.3.1. Eigene Arbeit im Original: 43 2.4.3.2. Eigene Arbeit im Original: 44 2.4.4. Postoperative TEE- Untersuchung 45 2.4.4.1. Darstellung des Ramus circumflexus 45 2.4.4.2. Kontrolle der Entlüftung des Herzens 45 2.4.4.3. Detektion einer residualen Mitralinsuffizienz 45 2.4.4.4 Ausschluss einer Mitralstenose 46 3. Erklärung über die eigenständige Anfertigung der Habilitationsschrift 62 Lebenslauf 63 Danksagung 65

Réalisé sous la co-direction des Drs Denis Bouchard et Michel Pellerin / La sternotomie médiane est l’approche classique pour la chirurgie de la valve mitrale. Elle permet une exposition optimale, mais est associée à un traumatisme chirurgical important, car elle requiert la séparation de l’os sternal. Le présent mémoire porte sur une solution alternative à la sternotomie dans le contexte de la chirurgie mitrale : la chirurgie minimalement invasive (CMI) par minithoracotomie antérolatérale. Trois études ont été réalisées dans le cadre de ce travail. Dans un premier temps, une étude de cohorte regroupant 200 patients consécutifs a permis d’évaluer le taux de succès des réparations mitrales réalisées par minithoracotomie et d’évaluer la durabilité de ces réparations à moyen terme. Par la suite, une étude comparative a été réalisée afin d’évaluer deux méthodes de clampage aortique pour la CMI, soit l’occlusion endovasculaire avec ballon et l’occlusion transthoracique. Enfin, une étude avec analyse par score de propension (propensity score) a permis de comparer la CMI à la sternotomie en ce qui a trait à une complication fréquente en chirurgie cardiaque, l’insuffisance rénale aiguë. La première étude a permis de conclure que la CMI peut être réalisée avec un taux de réparation quasi parfait, et ce malgré la courbe d’apprentissage associée à la technique minimalement invasive. Ces réparations semblent être durables, tel que démontré par une survie sans réopération de 98.3 ± 1.2% à 5 ans. La seconde étude a permis de démontrer que l’occlusion transthoracique est plus fiable que l’occlusion endoaortique et qu’elle est associée à des temps opératoires diminués et à une plus faible incidence de complications procédurales. Enfin, la troisième étude a démontré une association significative entre la CMI et une diminution du risque d’insuffisance rénale aiguë. En conclusion, la minithoracotomie antérolatérale est une excellente alternative à la sternotomie médiane. Tout en diminuant le traumatisme chirurgical, cette approche ne compromet pas la qualité de l’acte chirurgical et présente des bénéfices cliniques. / Median sternotomy is the classic approach for mitral valve surgery. This technique allows optimal exposure but is considered invasive as it requires section of the sternal bone. This thesis discusses an alternative sternotomy : minimally invasive mitral valve surgery (MIMVS) through a right anterolateral minithoracotomy. Three studies were conducted as part of this work. First, a cohort study involving 200 consecutive patients was used to evaluate the success rate of mitral valve repairs performed by minithoracotomy and assess the midterm durability of these repairs. Second, a comparative study was conducted to evaluate two methods of aortic clamping for MIMVS, namely the endovascular balloon occlusion technique and the transthoracic occlusion approach. Finally, a propensity score analysis study was performed to compare MIMVS and sternotomy with respect to a common complication following cardiac surgery : acute renal failure. The first study demonstrated that MIMVS can be performed with a near perfect repair rate, despite the learning curve associated with the minimally invasive technique. These repairs appear to be durable, as evidenced by a freedom from reoperation rate of 98.3 ± 1.2% at 5 years. The second study demonstrated that transthoracic clamping is more reliable than endoaortic occlusion and is associated with shorter operative times and a lower incidence of procedural complications. Finally, the third study found a significant association between MIMVS and a decreased risk of postoperative acute renal failure. In conclusion, the anterolateral minithoracotomy appraoch is an excellent alternative to median sternotomy. While decreasing surgical trauma, this approach does not compromise the quality of surgery and is associated with important clinical benefits.

Contexte: La régurgitation mitrale (RM) est une maladie valvulaire nécessitant une intervention dans les cas les plus grave. Une réparation percutanée de la valve mitrale avec le dispositif MitraClip est un traitement sécuritaire et efficace pour les patients à haut risque chirurgical. Nous voulons évaluer les résultats cliniques et l'impact économique de cette thérapie par rapport à la gestion médicale des patients en insuffisance cardiaque avec insuffisance mitrale symptomatique. Méthodes: L'étude a été composée de deux phases; une étude d'observation de patients souffrant d'insuffisance cardiaque et de régurgitation mitrale traitée avec une thérapie médicale ou le MitraClip, et un modèle économique. Les résultats de l'étude observationnelle ont été utilisés pour estimer les paramètres du modèle de décision, qui a estimé les coûts et les avantages d'une cohorte hypothétique de patients atteints d'insuffisance cardiaque et insuffisance mitrale sévère traitée avec soit un traitement médical standard ou MitraClip. Résultats: La cohorte de patients traités avec le système MitraClip était appariée par score de propension à une population de patients atteints d'insuffisance cardiaque, et leurs résultats ont été comparés. Avec un suivi moyen de 22 mois, la mortalité était de 21% dans la cohorte MitraClip et de 42% dans la cohorte de gestion médicale (p = 0,007). Le modèle de décision a démontré que MitraClip augmente l'espérance de vie de 1,87 à 3,60 années et des années de vie pondérées par la qualité (QALY) de 1,13 à 2,76 ans. Le coût marginal était 52.500 $ dollars canadiens, correspondant à un rapport coût-efficacité différentiel (RCED) de 32,300.00 $ par QALY gagné. Les résultats étaient sensibles à l'avantage de survie. Conclusion: Dans cette cohorte de patients atteints d'insuffisance cardiaque symptomatique et d insuffisance mitrale significative, la thérapie avec le MitraClip est associée à une survie supérieure et est rentable par rapport au traitement médical. / Background: Mitral regurgitation (MR) is a common valvular heart disorder requiring intervention once it becomes severe. Transcatheter mitral valve leaflet repair with the MitraClip device is a safe and effective therapy for selected patients denied surgery. We sought to evaluate the clinical outcomes and economic impact of this therapy compared to medical management in heart failure patients with symptomatic MR. Methods: The study was comprised of two phases; an observational study of patients with heart failure and MR treated with either medical therapy or the MitraClip, and an economic model. Results of the observational study were used to estimate parameters for the decision model, which estimated costs, and benefits in a hypothetical cohort of patients with heart failure and moderate to severe MR treated with either standard medical therapy or MitraClip. Results: The cohort of patients treated with the MitraClip was propensity matched to a population of heart failure patients, and their outcomes compared. At a mean follow up of 22 months, all-cause mortality was 21% in the MitraClip cohort and 42% in the medical management cohort (p=0.007). The decision model demonstrated that MitraClip increased life expectancy from 1.87 to 3.60 years and quality-adjusted life years (QALY) from 1.13 to 2.76 years. The incremental cost was $52,500 Canadian dollars, corresponding to an incremental cost-effectiveness ratio (ICER) of $32,300.00 per QALY gained. Results were sensitive to the survival benefit. Conclusion: In this cohort of heart failure patients with symptomatic moderate-severe MR, therapy with the MitraClip was associated with superior survival and is cost-effective compared to medical therapy.

As the most commonly diseased valve of the heart, the mitral valve has been the subject of extensive research for many years. Prior research has focused on the development of surgical repair techniques and mainly consists of in vivo clinical studies into the efficacy and long-term effects of different procedures. There is a need for a means of studying the mitral valve ex vivo, incorporating patient data and the effects of different repair techniques on the valve prior to surgery. In this study, a method was developed for reconstructing the mitral valve from patient-specific data. Three-dimensional transthoracic and transesophageal echocardiography (3D-TTE and 3D-TEE) were used to obtain ultrasound images from a normal subject and a patient with mitral valve regurgitation. Geometric information was extracted from the images defining the primary structures of the mitral valve and a special program in MATLAB was created to automatically construct a finite element model of a valve. A dynamic finite element analysis solver, LS-DYNA 971, was used to simulate the dynamics of the valves and the non-linear, anisotropic behaviour of biological tissue. The two models were successful in simulating the dynamics of the mitral valve, with the subject model displaying normal function and the patient model showing the dysfunction displayed in the ultrasound images. A method was then developed to modify the original patient model, in a way that maintains its patient-specific nature, to model mitral valve repair. Four mitral valve repair techniques were simulated using the patient model: the annuloplasty ring, the double-orifice Alfieri stitch, the paracommissural Alfieri stitch, and the quadrangular resection. The former was coupled with the other three techniques, as is standard protocol in mitral valve repair. The effects of these techniques on the mitral valve were successfully determined, with varying degrees of improvement in valve function.

As the most commonly diseased valve of the heart, the mitral valve has been the subject of extensive research for many years. Prior research has focused on the development of surgical repair techniques and mainly consists of in vivo clinical studies into the efficacy and long-term effects of different procedures. There is a need for a means of studying the mitral valve ex vivo, incorporating patient data and the effects of different repair techniques on the valve prior to surgery. In this study, a method was developed for reconstructing the mitral valve from patient-specific data. Three-dimensional transthoracic and transesophageal echocardiography (3D-TTE and 3D-TEE) were used to obtain ultrasound images from a normal subject and a patient with mitral valve regurgitation. Geometric information was extracted from the images defining the primary structures of the mitral valve and a special program in MATLAB was created to automatically construct a finite element model of a valve. A dynamic finite element analysis solver, LS-DYNA 971, was used to simulate the dynamics of the valves and the non-linear, anisotropic behaviour of biological tissue. The two models were successful in simulating the dynamics of the mitral valve, with the subject model displaying normal function and the patient model showing the dysfunction displayed in the ultrasound images. A method was then developed to modify the original patient model, in a way that maintains its patient-specific nature, to model mitral valve repair. Four mitral valve repair techniques were simulated using the patient model: the annuloplasty ring, the double-orifice Alfieri stitch, the paracommissural Alfieri stitch, and the quadrangular resection. The former was coupled with the other three techniques, as is standard protocol in mitral valve repair. The effects of these techniques on the mitral valve were successfully determined, with varying degrees of improvement in valve function.

As the most commonly diseased valve of the heart, the mitral valve has been the subject of extensive research for many years. Prior research has focused on the development of surgical repair techniques and mainly consists of in vivo clinical studies into the efficacy and long-term effects of different procedures. There is a need for a means of studying the mitral valve ex vivo, incorporating patient data and the effects of different repair techniques on the valve prior to surgery. In this study, a method was developed for reconstructing the mitral valve from patient-specific data. Three-dimensional transthoracic and transesophageal echocardiography (3D-TTE and 3D-TEE) were used to obtain ultrasound images from a normal subject and a patient with mitral valve regurgitation. Geometric information was extracted from the images defining the primary structures of the mitral valve and a special program in MATLAB was created to automatically construct a finite element model of a valve. A dynamic finite element analysis solver, LS-DYNA 971, was used to simulate the dynamics of the valves and the non-linear, anisotropic behaviour of biological tissue. The two models were successful in simulating the dynamics of the mitral valve, with the subject model displaying normal function and the patient model showing the dysfunction displayed in the ultrasound images. A method was then developed to modify the original patient model, in a way that maintains its patient-specific nature, to model mitral valve repair. Four mitral valve repair techniques were simulated using the patient model: the annuloplasty ring, the double-orifice Alfieri stitch, the paracommissural Alfieri stitch, and the quadrangular resection. The former was coupled with the other three techniques, as is standard protocol in mitral valve repair. The effects of these techniques on the mitral valve were successfully determined, with varying degrees of improvement in valve function.

Plusieurs avancées exceptionnelles ont permis à un nombre grandissant d’enfants avec pathologies cardiaques complexes d’atteindre l’âge adulte. Ainsi, plus de patients développent maintenant des complications en lien avec leur maladie ou leurs antécédents chirurgicaux. Malheureusement, en raison de nombreux obstacles limitant la recherche en cardiopathie congénitale adulte, un écart de savoir perdure et freine l’optimisation des soins. En attendant le couplage de grands registres pédiatriques et adultes facilitant l’accès aux données existantes, les projets multicentriques indépendants demeurent essentiels. Cette thèse présente deux études multicentriques de cohorte comparant des techniques opératoires couramment utilisées dans le traitement de pathologies congénitales cardiaques complexes dans le but de promouvoir la santé des patients à long terme. La première étude visait à évaluer l’impact chronique du type de procédure de Fontan sur le risque thromboembolique. Pour ce projet nord-américain, 522 patients avec connexion atriopulmonaire (21.4%), tunnel latéral (41.8%) ou conduit extracardiaque (36.8%) ont été recrutés. À l’aide d’analyses multivariées contrôlant pour la décennie opératoire et les effets variables dans le temps de l’arythmie et de la thromboprophylaxie, l’étude a conclu à un plus faible risque de complications thromboemboliques systémiques (rapport des risques instantanés [RRI] : 0.20 ; intervalle de confiance [IC] à 95% : 0.04-0.97) et combinées (RRI : 0.34 ; IC à 95% : 0.13-0.91) avec le conduit extracardiaque. Ces résultats remettent en question la croyance populaire selon laquelle cette technique serait plus thrombogène en raison d’un grand contact avec du matériel synthétique et d’un débit limité par le calibre fixe du greffon. La deuxième étude avait pour but d’investiguer, auprès de patients avec tétralogie de Fallot ou sténose pulmonaire corrigée nécessitant une implantation de valve pulmonaire, l’efficacité immédiate et l’innocuité d’une intervention concomitante sur la valve tricuspide. Pour ce projet pancanadien, 542 patients ayant subi un remplacement isolé de la valve pulmonaire (66.8%) ou une chirurgie combinée des valves pulmonaire et tricuspide (33.2%) ont été enrôlés. À l’aide d’analyses multivariées, cette étude a révélé que la chirurgie combinée était associée à une plus grande réduction du grade de régurgitation tricuspidienne qu’un remplacement isolé de la valve pulmonaire (rapport de cotes [RC] : 0.44 ; IC à 95% : 0.25-0.77) sans une augmentation des complications périopératoires (RC : 0.85 ; IC à 95% : 0.46-1.57) ou du temps d’hospitalisation (ratio du taux d’incidence : 1.17 ; IC à 95% : 0.93-1.46). Ces résultats questionnent la pertinence d’une gestion conservatrice de l’insuffisance tricuspide sévère. De plus, ils confirment qu’une procédure ciblée peut améliorer de façon sécuritaire la fuite modérée au-delà de l’effet produit par la décharge du ventricule – une stratégie potentiellement avantageuse auprès de jeunes patients déjà à haut risque de défaillance cardiaque droite. En conclusion, avec une puissance statistique plus élevée que les études précédemment publiées, ces travaux ont permis une comparaison valide et pertinente de techniques opératoires couramment utilisées en chirurgie cardiaque congénitale, ce qui influencera possiblement la pratique. Ultimement, cette thèse souligne l’importance de promouvoir la collaboration afin de répondre aux besoins émergents des patients avec pathologies congénitales cardiaques complexes. / Outstanding technical advances have made possible for a growing number of infants with complex heart disease to survive into adulthood. Consequently, more patients are now living long enough to experience late complications related to their underlying pathology or sequelae from past interventions. However, due to the inherent challenges of carrying research in adult congenital heart disease, important knowledge gaps prevent further optimization of care. Waiting on broad linkage of pediatric and adult databases to facilitate access to data, stand-alone multicenter research initiatives remain essential. The current body of work presents two multicenter cohort studies which were designed to help improving the long-term health of patients with complex heart disease through a comparison of common operative techniques. The first study sought to evaluate the chronic impact of Fontan surgery type on the thromboembolic risk. This North American cohort enrolled 522 patients with univentricular palliation consisting of an atriopulmonary connection (21.4%), lateral tunnel (41.8%) or extracardiac conduit (36.8%). In multivariable analyses stratified by surgical decade and controlling for the time-varying effects of atrial arrhythmias and thromboprophylaxis, extracardiac conduits were independently associated with a lower risk of systemic (hazard ratio [HR]: 0.20 vs. lateral tunnel; 95% confidence interval [CI]: 0.04-0.97) and combined (HR: 0.34 vs. lateral tunnel; 95% CI: 0.13-0.91) thromboembolic events. These results cast doubt on the widely held notion that extracardiac conduits are potentially more thrombogenic than lateral tunnels by virtue of greater exposure to synthetic material and relative flow restriction through a fixed pathway. The second study investigated, in patients with repaired tetralogy of Fallot or equivalent disease undergoing a first pulmonary valve implant, the early effectiveness and safety of concomitant tricuspid valve intervention. This pan-Canadian cohort included 542 patients who underwent isolated pulmonary valve replacement (66.8%) or combined pulmonary and tricuspid valve surgery (33.2%). In multivariable analyses, combined surgery was associated with a greater reduction in tricuspid regurgitation grade than isolated pulmonary valve replacement (odds ratio [OR]: 0.44; 95% CI: 0.25-0.77) without an increase in early adverse events (OR: 0.85; 95% CI: 0.46-1.57) or hospitalization time (incidence rate ratio: 1.17; 95% CI: 0.93-1.46). These results strongly question the appropriateness of conservative management of severe tricuspid regurgitation at the time of pulmonary reintervention. Furthermore, they confirm that concomitant tricuspid valve intervention can safely improve moderate insufficiency beyond the effect of right ventricular offloading – a strategy likely worthwhile to adopt in a population of young adults already at high risk of right heart failure. In conclusion, with higher statistical power than previously published studies, the presented body of work allowed for a valid comparison of common surgical techniques used in congenital cardiac care, which will likely impact current practices. Ultimately, this thesis underlines the importance of fostering collaboration in order to meet the emerging health needs of patients with complex heart disease.