Echographie tridimensionnelle temps réel

Revue
Echographie tridimensionnelle temps réel :
routine aujourd’hui ou demain ?
Agnès Pasquet, David Vancraeynest, Jean-Louis Vanoverschelde
Département de pathologie cardiovasculaire, Cliniques Universitaires Saint-Luc, Bruxelles, Belgique
<[email protected]>
Résumé. Les progrès récents dans le domaine des ordinateurs et l’utilisation des sondes matricielles ont permis le développement de
l’échocardiographie 3D temps réel. Les applications les plus prometteuses de cette nouvelle technique sont la quantification des volumes
ventriculaires, les valvulopathies et les cardiopathies congénitales. Dans ces domaines, l’échocardiographie 3D temps réel a déjà montré ses
avantages par rapport à l’échocardiographie 2D classique. L’arrivée de l’échocardiographie transœsophagienne 3D temps réel ouvre de
nouvelles perspectives notamment dans le suivi peropératoire des valvulopathies et des interventions de cathétérisme percutané. L’échocardio-
graphie de contraste et l’évaluation de l’asynchronisme ventriculaire sont aussi des champs d’application de l’échocardiographie 3D temps réel.
Mots clés : échocardiographie 3D, volume, fraction d’éjection ventriculaire gauche
Abstract. Real time 3D echocardiography: ready for routine use? Recent computer improvements and the use of matrix transducers
have allowed the development of real time 3D echocardiography. The most promising applications for this new technique are the quantification
of left ventricular volumes and ejection fraction assessment of valve disease and congenital heart disease. In this field, 3D echocardiography has
demonstrated its superiority in comparison to the conventional 2D echo. The arrival of transoesophageal real time 3D echocardiography opens
new fields of development especially for guidance of valvular surgery or for catheter based intervention. Contrast echocardiography and the
assessment of left ventricular asynchrony are also potential applications of real time 3D echocardiography.
Key words: 3D echocardiography, volum, ejection fraction, left ventricle
Lorsqu’en 1953, Edler et Hertz uti-
lisèrent pour la première fois les
ultrasons pour analyser le cœur, ils ne
se doutaient pas qu’ils venaient de
donner naissance à une technique qui
allait révolutionner la cardiologie :
l’échocardiographie. A cette époque,
les premières « images » du cœur
n’étaient que quelques pics de ré-
flexion d’onde apparaissant sur un
écran d’oscilloscope (mode A). De cet
examen unidimensionnel, il nous
reste le mode temps mouvement ou M
mode. Quelques années plus tard,
allaient apparaître les premières ima-
ges bidimensionnelles (mode 2D).
L’arrivée du mode 2D, puis des Dop-
pler continu, pulsé et couleur allait
permettre l’essor de l’échocardiogra-
phie et en faire la technique incon-
tournable pour le diagnostic et le suivi
des patients en cardiologie. Au cours,
des 30 dernières années, le déve-
loppement de l’échocardiographie a
permis d’accroître nos connaissances
dans de nombreux domaines de la
cardiologie : atteintes valvulaires, car-
diopathie ischémique, cardiopathies
congénitales...
Le cœur étant en réalité un
volume, l’idée d’une imagerie tridi-
mensionnelle est apparue dès les an-
nées 70 [1]. Malheureusement, à cette
époque, les capacités de calcul des
ordinateurs étaient trop faibles pour
fournir une imagerie utilisable en cli-
nique. Avec le développement de
nouveaux processeurs, la miniaturisa-
tion des sondes d’échocardiographie
et l’augmentation de la puissance de
calcul des ordinateurs, l’échocardio-
graphie 3D permet aujourd’hui d’ob-
tenir des images 3D du cœur en temps
réel. Les champs d’application de
cette nouvelle technique sont multi-
ples : dimension des cavités cardia-
ques, analyse des valves, cardiopa-
thies congénitales...
doi: 10.1684/mtc.2008.0123
m
t
c
Tirés à part : A. Pasquet
mt cardio 2008 ; 4 (1) : 68-78
mt cardio, vol. 4, n° 1, janvier-février 2008
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Principes techniques
Technique de reconstruction 3D
Les premières approches de l’échocardiographie 3D
se fondent sur le principe qu’un volume ou une image 3D
peuvent être reconstruits à partir d’un ensemble d’images
acquis en 2D. Dans cette méthode, des images 2D sont
acquises à l’aide d’un transducteur « main libre » ou
orienté mécaniquement pour enregistrer des images selon
des intervalles prédéfinis [2-4] (figure 1). Un transducteur
main libre est progressivement incliné pour acquérir des
images avec un angle différent et couvrir ainsi un volume.
Ces images une fois acquises sont injectées dans un ordi-
nateur pour reconstruire le volume 3D. Cette méthode
présente différents désavantages dont notamment l’en-
combrement du dispositif manuel d’inclinaison de la
sonde et les difficultés d’acquérir les images séquentielles
correspondantes. Une alternative est d’utiliser une sonde
mécanique tournant sur elle-même. Ce dispositif permet
d’acquérir des images séparées les unes des autres par
quelques degrés de rotation. Elles sont ensuite introduites
dans un ordinateur pour assemblage en un volume tridi-
mensionnel. Pour minimiser les artéfacts de reconstruc-
tion, il est indispensable d’enregistrer les images aux mê-
mes phases des cycles cardiaque et respiratoire, ce qui
nécessite une synchronisation de l’acquisition à la fois sur
l’électrocardiogramme, mais aussi sur la respiration. L’ac-
quisition d’un ensemble de données pour obtenir un vo-
lume 3D prend en général 1 à 5 minutes en fonction de la
synchronisation sur la respiration et l’électrocardio-
gramme. Ce temps ne comprend pas le temps de recons-
truction des images 3D par l’ordinateur. La qualité des
images obtenues dépend de nombreux facteurs comme la
qualité des images acquises, leur nombre, les artéfacts dus
aux mouvements ou à la respiration. Plus les images
acquises sont nombreuses (c’est-à-dire plus l’espace entre
2 images est petit), meilleure sera la qualité du volume
reconstruit, mais aussi plus l’acquisition sera longue expo-
sant aux risques d’artéfact et plus la reconstruction sera
longue. Des premières études ont rapidement montré que
l’échocardiographie 3D permettait d’obtenir des mesures
plus fiables et plus précises des volumes cardiaques [4] et
une meilleure description des anomalies valvulaires [5] ou
congénitales [6]. Néanmoins, la complexité des acquisi-
tions, la lenteur et la difficulté de la reconstruction et du
post-processing des images ont fortement limité sa diffu-
sion en routine.
Technique du 3D temps réel
Le développement de l’échocardiographie 3D en
temps réel passe par la création et l’utilisation d’un nou-
veau type de transducteur où les éléments sont disposés en
grille (matrix transducer) (figure 2). Les premiers systèmes
de ce type développés au début des années 1990,
utilisaient des sondes de 2,5 ou 3,5 MHz. Celles-ci étaient
formées de 256 éléments déclenchés de façon non
simultanée et permettant d’acquérir un volume d’informa-
tion pyramidal de 60 ° x 60 ° au cours d’un seul cycle
Liste des abréviations
Echocardiographie 3D-RT : échocardiographie 3D temps réel
IRM : imagerie par résonance magnétique
Oscillations du transducteur Rotation du transducteur
Figure 1.Représentation schématique du fonctionnement d’un transducteur main libre (oscillation autour d’un axe) ou d’un transducteur
mécanique (rotation autour d’un axe) permettant de reconstruire des images 3D à partir d’images 2D acquises successivement.
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cardiaque [7]. La qualité des images obtenues avec ces
premiers systèmes était relativement médiocre comparée
aux images 2D classiques. De plus, ces systèmes ne per-
mettaient pas d’obtenir des images 3D temps réel mais
plutôt des plans 2D dérivés d’un volume 3D.
Les échographes 3D temps réel (3D-RT) actuels utili-
sent des sondes de type matriciel (matrix array) contenant
plus de 3 000 éléments générateurs d’ultrasons. Ceci a
permis d’améliorer considérablement la qualité de l’ima-
gerie. Les volumes d’images acquis sont visibles en temps
réel ou peuvent être présentés en 2 ou 3 plans orthogo-
naux (imagerie bi- ou triplan). Les progrès récents ont
permis d’améliorer la résolution spatiale et latérale des
sondes, de diminuer leur taille et d’introduire l’imagerie
en seconde harmonique.
Les échographes 3D-RT permettent en général 3 mo-
des d’acquisition (figure 3) :
–le mode temps réel (live) : il montre une image pyrami-
dale d’environ 50 ° x 30 °. C’est le mode d’imagerie le
plus simple, il est obtenu en positionnant simplement le
transducteur sur une fenêtre échographique ;
–le mode zoom : il montre une image pyramidale de plus
petite dimension (environ 30 ° x 30 °) mais avec une
résolution plus importante ;
–le mode grand angle ou volume complet : il permet
d‘acquérir un volume pyramidal d’environ 90 ° x 90 °. Ce
mode nécessite une synchronisation à l’électrocardio-
gramme. Il est formé par la juxtaposition de 4 ou 7 petits
secteurs formant la pyramide finale obtenue sur 4 ou
7 battements cardiaques.
Une fois acquis, les volumes 3D peuvent être recoupés
pour visualiser les structures cardiaques à l’intérieur de la
pyramide (figure 4).
Les échographes 3D-RT disposent également d’un
Doppler couleur pour l’analyse des flux sanguins et l’ac-
quisition de volumes Doppler couleur.
Les principes d’acquisition des images 3D sont sem-
blables à ceux des images 2D, le gain et les paramètres de
compressions doivent être ajustés pour obtenir la
meilleure qualité d’image.
Un constructeur a récemment introduit cette techni-
que en échographie transœsophagienne.
Applications cliniques
Mesures des dimensions des cavités
cardiaques
Ventricule gauche
L’évaluation de la fonction globale et régionale du
ventricule gauche est une indication fréquente d’échocar-
diographie. En pratique courante, la fonction ventriculaire
gauche est évaluée visuellement de façon semi-
quantitative. Un échographiste entraîné peut ainsi évaluer
de façon fiable la fraction d’éjection du ventricule gauche
et la contractilité régionale. Etant donné le caractère
subjectif de cette évaluation, de nombreuses techniques
quantitatives ont été proposées. Celles-ci se fondent sur le
mode TM (méthode Teicholtz par exemple) ou sur des
acquisitions 2D (méthode de Simpson par exemple). Tou-
tes ces méthodes de calcul font appel à des modélisations
Azimuth
Élévation
Azimuth
BA
Figure 2.Comparaison entre l’orientation des éléments générateurs d’ultrasons dans un transducteur 2D (A) et la disposition des éléments en
grille dans un transducteur matriciel (B).
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mathématiques du ventricule gauche et sont fortement
dépendantes des vues acquises. Des vues hors axes ou ne
passant pas par l’apex ventriculaire gauche vont mener à
des résultats erronés. L’avantage de l’échographie 3D-RT
pour évaluer les volumes ventriculaires est de ne pas
utiliser d’hypothèse géométrique ou de modèles, et d’évi-
ter les problèmes liés au plan d’imagerie. De nombreuses
études, comparant les volumes ventriculaires et la fraction
d’éjection mesurés par échocardiographie 2D et 3D-RT à
des techniques de référence comme la résonance magné-
tique (IRM) cardiaque ont montré que les mesures 3D-RT
étaient à la fois plus précises et plus reproductibles que les
mesures 2D [8-12].
En pratique, le calcul des volumes ventriculaires et de
la fraction d’éjection ventriculaire gauche se fait à partir
de l’acquisition d’un volume grand angle. Celui-ci est
analysé à l’aide d’un logiciel inclus dans l’échographe ou
transféré vers une station de travail. Classiquement, le
volume est découpé par le logiciel en 2 ou 3 plans qui
doivent être réalignés pour obtenir le vrai long axe du
ventricule gauche (figure 5A). A partir de quelques points
de repère, le logiciel dessine les contours de l’endocarde,
image par image, et calcule les volumes ventriculaires et
la fraction d’éjection (figure 5B). Il est évidemment possi-
ble de corriger à tout moment les contours endocardiques
dessinés par le logiciel, l’ensemble du processus ne pre-
nant que quelques minutes. La visualisation correcte de
l’endocarde est évidemment primordiale pour faciliter sa
détection par le logiciel et obtenir des volumes précis.
En cas de mauvaise fenêtre acoustique ou de mauvaise
visualisation de l’endocarde, un agent de contraste ultra-
sonore peut être utilisé pour faciliter la définition de
l’endocarde.
En même temps que l’analyse de la fonction globale du
ventricule gauche, il est également possible d’analyser la
fonction régionale. D’une part, les volumes ventriculaires
obtenus peuvent être recoupés selon différents plans per-
mettant de visualiser les zones dysfonctionnelles, d’autre
part, les logiciels de calcul de la fonction ventriculaire
gauche permettent une analyse régionale de la contrac-
tion ventriculaire (figure 6).
Ceci rend possible l’utilisation de l’échographie 3D-RT
pour les examens de stress. Des études préliminaires
confirment la faisabilité de cette technique et rapportent
une sensibilité et une spécificité comparables aux exa-
mens 2D [13]. Un des avantages de l’échographie 3D-RT
Temps reél Zoom Grand angle - volume complet
60 x 30 ° 30 x 30 ° 90 x 60 °
Figure 3.Différents modes d’acquisition utilisés en échocardiographie 3D-RT.
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serait la rapidité d’acquisition des images avec, cepen-
dant, une qualité d’imagerie moindre (réduction de la
cadence image).
La masse ventriculaire est un élément pronostique
important dans de nombreuses pathologies cardiovascu-
laires comme l’hypertension artérielle. Classiquement,
celle-ci est calculée à partir du mode TM selon la formule
de Devereux ou à partir d’images 2D. Comme pour les
volumes, ces calculs reposent sur des modèles et des
hypothèses géométriques et leur reproductibilité est fai-
ble. L’échocardiographie 3D-RT permettrait de calculer la
masse ventriculaire de façon reproductible avec des résul-
tats comparable à ceux de l’IRM cardiaque [14, 15].
Oreillette gauche
Quelques études ont montré que l’échographie 3D-RT
pouvait aussi être utile pour mesurer les volumes auricu-
laires avec des résultats comparables à ceux de l’IRM
cardiaque [16].
Ventricule droit
L’évaluation de la fonction ventriculaire droite reste
difficile en échocardiographie 2D principalement à cause
de sa forme géométrique et des difficultés de modélisation.
L’utilisation de l’échographie 3D devrait permettre de
visualiser l’ensemble du ventricule droit et permettre une
meilleure appréciation de sa fonction. Il existe quelques
études faisant appel à des images 3D reconstruites et
montrant un bénéfice de cette technique [17, 18]. L’écho-
graphie 3D-RT devrait permettre une meilleure évaluation
des volumes et de la fonction du ventricule droit [19].
Analyse des valves
Une des grandes applications de l’échocardiographie
3D-RT est la description des atteintes valvulaires. Elle peut
être utilisée tant pour le diagnostic des lésions que pour le
suivi du geste chirurgical lors des réparations valvulaires.
L’échocardiographie 3D-RT semble une technique idéale
pour analyser les valves aortiques et surtout mitrales puis-
que celles-ci ont une structure spatiale complexe.
Valve mitrale
L’échocardiographie 3D a contribué de façon signifi-
cative à notre connaissance de l’anatomie et du fonction-
nement de la valve mitrale. Elle permet de visualiser la
forme en « selle de cheval » de l’anneau mitral et les
rapports entre la valve, les cordages, les muscles papillai-
res et la paroi ventriculaire [20, 21].
Une étude récente a utilisé l’échocardiographie 3D-RT
pour le diagnostic des lésions mitrales [22]. Le feuillet
antérieur est plus facilement visualisé, peut-être à cause de
sa taille. Les feuillets mitraux, les commissures et l’orifice
valvulaire mitral peuvent aisément être analysés.
Le feuillet postérieur serait mieux visualisé à partir de
l’incidence parasternale, tandis que le feuillet antérieur est
Figure 4.Exemple de découpage d’un volume pyramidal 3D. Dans ce cas, le volume a été retravaillé de façon à mettre en évidence la valve
mitrale.
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