EDITE de Paris (ED130) -

Etude par imagerie IRM du remodelage
hémodynamique du cœur gauche humain au cours
du vieillissement
Sujet proposé par Nadjia KACHENOURA [email protected]
École doctorale: EDITE de Paris (ED130)
Domaine: Sciences et technologies de l'information et de la communication
Projet
Contexte clinique. Les maladies cardiovasculaires représentent une cause majeure de mortalité et de
morbidité dans le monde. Le vieillissement de la population et l'allongement de la durée de vie des patients
cardiaques grâce au bénéfice démontré des innovations thérapeutiques modernes ont conduit à une
augmentation de la prévalence de l'insuffisance cardiaque chronique (IC), de démences vasculaires,
d?accidents vasculaires cérébraux (AVC). Malgré les améliorations de traitement, le taux de mortalité chez les
patients atteints de pathologies cardiovasculaires reste trop élevé [1]. Cette mortalité accrue provient d?un
couplage inadapté entre les grosses artères et le cœur gauche qui serait à l?origine de modifications : 1) de
l?écoulement sanguin et de l?hémodynamique associée (pression, vitesses, ?) , 2) de la cinétique et de la
géométrie du muscle cardiaque, 3) de la composition du muscle cardiaque, avec une augmentation du taux des
substrats arythmogènes tels que la fibrose et la graisse. Ces modifications surviennent souvent dans un stade
infra-clinique (sans symptômes) et leur caractérisation quantitative précoce permettrait d?éviter la survenue
d?événements délétères pour le patient (IC, AVC, ?).
Pour l?étude des concepts physiopathologiques associés à ce contexte, l?imagerie par résonance magnétique
(IRM), qui est une technique non invasive et non irradiante, peut jouer un rôle majeur tant elle permet avec
ses nombreuses séquences de caractériser : 1) la géométrie et la cinétique du cœur gauche (séquences
anatomiques et ciné), 2) les vitesses 3D+t de l?écoulement dans les cavités du cœur gauche (séquence de flux
4D introduite en 2012), et 3) les caractéristiques tissulaires (séquences T1 et T2 Mapping introduites en 2010).
Contexte méthodologique et hypothèse de travail. Des travaux récents, incluant ceux menés dans l?équipe
d?Imagerie Cardiovasculaire (iCV) du Laboratoire d?Imagerie Biomédicale (LIB) ont permis d?étudier
individuellement les atteintes cardiaques structurelles et fonctionnelles liées à l?âge [2, 3, 4, 5, 6]. On notera
cependant que la littérature manque drastiquement : 1) d?études dédiées à la modification des flux 3D+t liée
au vieillissement, 2) d?études de l?interaction entre ces modifications de l?écoulement sanguin et les
modifications de la géométrie cardiaque et de la composition tissulaire du cœur gauche. Notre principale
hypothèse est que la connaissance de ces éléments physiopathologiques importants aiderait à mieux identifier
l?atteinte cardiaque à un stade précoce.
Missions du candidat. 1 Un premier volet de ce doctorat vise à développer des nouveaux indices
caractérisant l?écoulement sanguin dans le cœur gauche. Ainsi le candidat mettra au point les indices
ci-dessous et les testera dans le contexte particulier du cœur gauche pour lequel la littérature actuelle est très
restreinte. En effet, la majorité des indices biomécaniques proposés à ce jour ciblent l?aorte tubulaire et il
existe très peu d?études quantitatives en vélocimétrie 4D dans le cœur gauche. Ainsi, le candidat travaillera
sur des données IRM de vélocimétrie 3D+t acquises sur le cœur humain afin d?extraire quantitativement:
A. Des indices de vorticité (centre des vortex, taille, durée pendant le cycle cardiaque) qui peuvent être
calculés à partir du rotationnel des champs de vitesses et qui vont nous permettre de caractériser les structures
cohérentes de notre écoulement mais également les zones de stase. Ces dernières sont d?un intérêt majeur
dans des maladies telles que l?insuffisance cardiaque, l?hypertrophie ventriculaire et la fibrillation auriculaire
(maladies fréquentes chez le sujet âgé). Ces maladies sont à l?origine des accidents thromboemboliques et des
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accidents vasculaires cérébraux (AVC) à cause d?une mauvaise vidange de l?oreillette gauche.
B Une cartographie locale des gradients de pression grâce aux équations de Navier-Stokes appliquées aux
données 3D+t des vitesses acquises en IRM. Une telle cartographie peut avoir un apport dans l?étude du
remplissage et de la relaxation du cœur gauche qui est primordiale pour son bon fonctionnement et qui est
atteinte précocement dans le processus d?insuffisance cardiaque. Le candidat bénéficiera du modèle
récemment développé dans l?équipe (2) en 2D+t sur l?aorte, qu?il aura à l?étendre aux données 3D+t.
Les données nécessaires pour tester ces deux paramètres sont d?ores et déjà acquises (plus de 50 sujets sains).
2) Le deuxième volet sera centré sur l?étude des interactions entre ces paramètres d?écoulement et la cinétique
et la composition tissulaire du muscle cardiaque. Pour ce faire le candidat aura :
A. A prendre en main les outils logiciels développés dans l?équipe iCV du LIB pour l?évaluation 1) de la
déformation du muscle cardiaque, mise au point par un doctorant actuellement à l?EDITE [3, 4] et 2) pour la
caractérisation de sa composition en terme de fibrose et de graisse [8]. Il les appliquera sur sa base de données
de 50 patients pour générer les données cinétiques et tissulaires.
B. A Mettre au point les modèles statistiques nécessaires à l?étude des interactions entre les modifications de
la vorticité et des gradients de pressions intracardiaques avec 1) la déformation et cinétique du muscle
cardiaque, et 2) sa composition tissulaire. Ces modèles prendront en compte les variables confondantes telles
que : les pressions artérielles, le poids et la taille du patient.
Enjeux
Ce projet vise à mettre au point des biomarqueurs de l?atteinte cardiaque dans son stade précoce (avant
l?apparition des symptômes) pour l?étude du vieillissement cardiovasculaire. Plus précisément, ce projet met
l'accent sur l'utilisation combinée du traitement d?images, de la mécanique des fluides et des statistiques pour
comprendre la physiopathologie cardiovasculaire qui précèderait les maladies cardiaques délétères pour le
patient et coûteuses pour la société. En effet, ces maladies sont responsables de plus de 4 millions de décès par
an en Europe, ce qui représente environ la moitié de tous les décès, avec un coût estimé à 200 milliards par an.
Des travaux récents, incluant ceux menés dans l?équipe d?Imagerie cardiovasculaire du Laboratoire
d?Imagerie Biomédicale (LIB) ont permis d?étudier en imagerie individuellement les atteintes cardiaques
structurelles et fonctionnelles liées à l?âge. On notera cependant que la littérature manque drastiquement : 1)
d?études dédiées à la modification des flux 3D+t dans le cœur gauche au cours du vieillissement, et 2)
d?études de l?interaction entre ces modifications de l?écoulement sanguin et les modifications de la géométrie
et de la composition tissulaire du cœur gauche. Notre principale hypothèse est que la connaissance de ces
éléments physiopathologiques importants aiderait à mieux identifier l?atteinte cardiaque à un stade précoce.
Ouverture à l'international
Sur le plan international, le candidat bénéficiera des projets PICs (collaboration entre l?équipe iCV du LIB et
Johns Hopkins 2016-2018) et ECOS (collaboration entre l?équipe iCV du LIB et l?Université de Favaloro,
Argentine 2016-2018) qui sont ciblés sur : la segmentation 3D+t des structures cardiaques pour le projet
ECOS et de sur l?ouverture pour une application des méthodes du LIB sur des données multicentriques
originales pour le PICs. De plus, le candidat en thèse participera aux conférences méthodologiques et
cliniques qui relèvent de sa thématique et sera en immersion avec l?environnement de l?équipe ou nous
accueillons régulièrement des candidats internationaux (notamment 1 visite annuelle dans le cadre du PICs et
une autre dans le cadre du ECOS pour des durées allant d?une semaine à un mois).
Sur le plan national, ce projet sera réalisé en collaboration avec Didier Lucor, directeur de recherches au
LIMSI (Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur) dont les spécialités
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ciblent le volet dynamique des fluides: méthodes numériques, caractérisation de la dynamique et écoulements.
Une telle collaboration est primordial pour une caractérisation quantitative de l?écoulement sanguin et la mise
au point de biomarqueurs combinant des concepts d?imagerie et de mécanique.
Remarques additionnelles
Environnement de travail et données cliniques Ce projet s?implantera dans l?équipe d?imagerie
cardiovasculaire du laboratoire d?Imagerie Biomédicale qui travaille de pair avec le service de radiologie
cardiovasculaire de l?institut de cardiologie de la Pitié-Salpêtrière et le Core Lab d?imagerie de l?IHU
cardiométabolisme et nutrition (ICAN). L?objectif de cette équipe est de concevoir et valider de nouveaux
biomarqueurs d'imagerie multimodale (IRM, Scanner, Echocardiographie), pertinents pour la compréhension
de la physiologie et de la pathologie cardiaque et artérielle.
Le candidat bénéficiera d?un double encadrement : en bio-ingénierie (imagerie et mécanique des fluides ?
Didier Lucor) et en clinique cardiovasculaire (Alban Redheuil). Il aura accès à toutes les données cliniques
nécessaires à la validation des méthodologies proposées. Ces données seront acquises au cours de protocoles
de recherche qui sont en cours et dont les encadrants sont investigateurs principaux. En effet, on dispose
aujourd?hui de plus de 50 patients ayant eu une IRM de flux 3D+t, ciné et T1 et T2 mapping (sujets sains et
malades) que le candidat aura à sa disposition pour tester ses paramètres développés et les valider.
Références: 1. Lloyd-Jones, D. et al. Heart disease and stroke statistics--2009 update: a report from the
American Heart Association Statistics. Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Circulation 119,
480?486 (2009). 2. Bargiotas I, Redheuil A, Evin M, De Cesare A, Bollache E, Soulat G, Mousseaux E,
Kachenoura N, Pixel-wise absolute pressures in the aortic arch from 3D MRI velocity data and carotid artery
applanation tonometry, Conf Proc Ieee Eng Med Biol Soc (embs), 2014, 2014 , pp. 5105-8 3. Lamy, Jerôme,
Gilles Soulat, Alban Redheuil, Morgane Evin, Elie Mousseaux, et Nadjia Kachenoura. « Inter-study
Repeatability of Left Ventricular Strain Measurement using Feature Tracking on MRI Cine Images ». CinC,
2015. 4. Evin M, Redheuil A, Soulat G, Perdrix L, Ashrafpoor G, Giron A, Lamy J, Defrance C, Roux C,
Hatem SN, Diebold B, Mousseaux E, Kachenoura N, Left atrial aging: a cardiac magnetic resonance
feature-tracking study, Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2016, 310 , pp. H542-9 5. Ashrafpoor G, Bollache E,
Redheuil A, De Cesare A, Giron A, Defrance C, Azarine A, Perdrix L, Ladouceur M, Diebold B, Mousseaux
E, Kachenoura N, Age-specific changes in left ventricular diastolic function: A velocity-encoded magnetic
resonance imaging study, Eur Radiol, 2015, 25 , pp. 1077-86 6. Bargiotas I, Mousseaux E, Yu W, Venkatesh
B, Bollache E, De Cesare A, Lima J, Redheuil A, Kachenoura N, Estimation of aortic pulse wave transit time
in cardiovascular magnetic resonance using complex wavelet cross-spectrum analysis, J Cardiovasc Magn
Reson, 2015, 17 , pp. 65 7. Bollache E, Redheuil A, Clément-Guinaudeau S, Defrance C, Perdrix L,
Ladouceur M, Lefort M, De Cesare A, Herment A, Diebold B, Mousseaux E, Kachenoura N, Automated left
ventricular diastolic function evaluation from phase-contrast cardiovascular magnetic resonance and
comparison with Doppler echocardiography, J Cardiovasc Magn Reson, 2010, 12 , pp. 63 8. Kachenoura N,
Besson-Hajji L, Graves MJ, Reid S, Soulat G, Ashrafpoor G, De Cesare A, Hagege A, Redheuil A,
Mousseaux E, Kinetic index combining native and postcontrast myocardial T1 in hypertrophic
cardiomyopathy, J Magn Reson Imaging, 2016, 42 , pp. 1713-22
Pour plus de détails sur l'EDITE, consultez le site http://edite-de-paris.fr/. D'autres propositions de thèse sont
aussi présentes sur ce site.
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