Écoulement intraventriculaire 4-D par échocardiographie Doppler

The cardiovascular system transports and distributes biochemical substances, such as oxygen or nutrients, to the cells through the blood. This is initiated by the heart, this organ acts as a pump that can send blood either to the lungs through the right ventricle, or to the cells of the body through the left ventricle. During a cardiac cycle, the ventricles go through two phases, systole (or expulsion) and diastole (or filling). The study of these functions, systolic and diastolic, allows an assessment of the overall cardiac health of a patient. In clinical routine, cardiologists can rely on different indicators such as ejection fraction and global longitudinal strain to assess systolic function. For diastolic function, the recommended markers consider the velocity peaks during diastole, but these may present discordant results. A detailed study of the intraventricular flow could alter this situation through an analysis of flow pattern during the diastole in the left ventricle. Indeed, at the beginning of left ventricular filling, blood rapidly flows into the ventricle through the mitral valve and forms a ring-shaped vortex. This ring expands and stretches, creating a generalized rotational motion of the blood in the left ventricle that helps redirect the flow to the outflow tract, while limiting energy loss. The work presented in this thesis is focused on the reconstruction of the intraventricular flow in three dimensions from a color Doppler ultrasound acquisition in triplane mode. A simplification to allow a two dimensional estimation of the flow is also provided. The main contributions presented in this manuscript are the development of the method, its application on a realistic numerical flow, and its implementation on clinical data. Our method is based on a constrained least squares minimization, using the Lagrange multiplier method. The constraints are related to basic principles of fluid mechanics: conservation of mass and free-slip boundary conditions. Then, we applied this method on a patient-specific numerical flow model to obtain a quantified evaluation of the accuracy of the results it provides. Finally, we show the results obtained with our method on clinical data, and compare them to those obtained with other methods present in the literature on the subject. This thesis shows the potential of our technique in the study of the intraventricular vortex, as well as in the development of markers of diastolic function for the early detection of its dysfunction.Le système cardiovasculaire transporte et distribue des substances biochimiques, telles que l’oxygène ou les nutriments, aux cellules par le biais du sang. Celui-ci est mis en mouvement par le coeur, cet organe a donc un rôle de pompe qui peut envoyer le sang soit en direction des poumons par le ventricule droit, soit en direction des cellules du corps par le ventricule gauche. Pendant un cycle cardiaque, les ventricules passent par deux phases, la diastole (ou remplissage) puis la systole (ou expulsion). L’étude de ces fonctions, systolique et diastolique, permet de fait un bilan de l’état de santé cardiaque global. En routine clinique, les cardiologues peuvent s’appuyer sur différents indicateurs comme la fraction d’éjection et la déformation longitudinale globale pour dresser un état de la fonction systolique. En ce qui concerne la fonction diastolique, les marqueurs recommandés prennent en compte les pics de vitesse pendant la diastole, mais ces derniers peuvent présenter des résultats discordants. Une étude approfondie du flux intraventriculaire pourrait changer cette situation via une analyse de la géométrie de l’écoulement dans le ventricule gauche lors de la diastole. En effet, au début du remplissage du ventricule gauche, le sang rentre rapidement dans celui-ci en passant par la valve mitrale, et forme un vortex en forme d’anneau. Ce dernier se dilate et s'étire, créant un mouvement de rotation généralisé du sang dans le ventricule gauche qui aide à rediriger la circulation du flux vers les voies de sortie, tout en limitant la perte d'énergie. Le travail présenté dans cette thèse porte sur la reconstruction de l’écoulement intraventriculaire en trois dimensions à partir d’une acquisition échographique Doppler de couleur en mode triplan. Une simplification pour permettre une estimation en deux dimensions de l’écoulement est également proposée. Les principales contributions exposées dans ce manuscrit sont le développement de la méthode, son application sur un écoulement numérique réaliste, et son utilisation sur des données cliniques. Notre méthode repose sur une minimisation aux moindres carrés sous contraintes, via l’utilisation de la méthode des multiplicateurs de Lagrange. Les contraintes s’appuient sur des principes de base de la mécanique des fluides : la conservation de la masse et une condition de glissement à la paroi. Puis, nous avons appliqué cette méthode sur un écoulement numérique spécifique au patient afin d’obtenir une évaluation quantifiée de la précision des résultats qu’elle fournit. Enfin, nous montrons les résultats obtenus avec notre méthode sur des données cliniques, et les comparons à ceux obtenus avec d’autres méthodes présentes dans la littérature sur le sujet. Cette thèse montre le potentiel de notre technique dans l’étude du vortex intraventriculaire, ainsi que dans le développement de marqueurs de la fonction diastolique pour le dépistage précoce de son dysfonctionnement