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Comportement mécanique du tissu cardiaque par flux optique et méthode des champs virtuels

Abdel-Hadi Begdouri

PhD thesis (2019)

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Cite this document: Begdouri, A.-H. (2019). Comportement mécanique du tissu cardiaque par flux optique et méthode des champs virtuels (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/4166/
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Abstract

Les maladies cardiovasculaires (CVD) sont connues pour être l’une des principales causes de mortalité non accidentelles, en particulier dans les pays développés. La détection précoce de ces maladies est donc indispensable pour réduire le taux de mortalité qu’elles engendrent. Pour traiter la leucémie de nos jours, la chimiothérapie à la Doxorubicine est largement utilisée. Toutefois, ce traitement engendre une cardiotoxicité qui affecte la morphologie et la fonction du myocarde. La dose de Doxorubicine cumulée dicte le degré de ces changements anatomiques et fonctionnels. Actuellement, très peu de techniques sont disponibles pour détecter de telles cardiotoxicités. Les oncologues utilisent des paramètres, comme le LVEF (fraction d’éjection du ventricule gauche), pour détecter cette cardiotoxicité. Ces méthodes n'arrivent pas à détecter cette cardiotoxicité d'une façon précoce. Les paramètres mécaniques jouent un rôle important dans le fonctionnement du muscle cardiaque, qui est un organe qui change de forme tout le long du cycle cardiaque. Le suivi des changements des propriétés mécaniques du tissu cardiaque pourrait nous informer sur la viabilité de celui-ci et détecter une cardiomyopathie. Dans ce projet, les patrons 2D de déformations myocardiques sont évalués dans le cadre de la détection des dommages myocardiques et altérations fonctionnelles dus au traitement à la Doxorubicine. En second lieu, ces déformations sont utilisées comme données d'entrée à notre modèle numérique basé sur la méthode des champs virtuels spéciaux, dans le but de quantifier les propriétés mécaniques du myocarde, avec l’hypothèse que le traitement à base de Doxorubicine induit des changements importants à la fois dans le tissu myocardique et au niveau de la fonction cardiaque. Nous appliquons sur des images ciné-IRM, une des méthodes iconiques qui se base sur le flux optique, pour obtenir les champs de déplacements et de déformations internes des tissus cardiaques, tout au long du cycle cardiaque. Une méthode d’inversion basée sur la méthode des champs virtuels, permettant de déduire les champs de contraintes à partir des déformations obtenues par flux optique, est utilisée en choisissant des champs virtuels cinématiquement admissibles. La cohorte évaluée dans notre étude se compose de 4 groupes, constitués chacun de 3 volontaires, 3 groupes de survivants de leucémie du projet PETALE et un groupe de sujets sains. Les survivants de leucémie présentent différents niveaux de risque basé sur la dose cumulative de doxorubicine reçue. Ces survivants sont séparés en deux groupes à haut risque, dont un groupe qui prend un agent protecteur (Dexrazoxane), et un groupe à risque standard. L'acquisition des images se fait avec un appareil IRM (Skyra™, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany), de 3Tesla avec une antenne tronc de 32 canaux. Le protocole RM consiste en une séquence ciné ECG- gated Steady state Free Precession (SSFP). Les paramètres d'acquisition sont l'épaisseur de la tranche (8 mm), le temps de répétition (TR=34.5 sec), le temps d’écho (TE=1.2 sec), l'angle de bascule (36 degrés), le facteur iPAT (3), et la taille de la matrice (210×208). Approximativement, 14 tranches sont acquises dans le plan axial, 5 tranches pour la coupe 4 chambres et 5 tranches pour la coupe 2 chambres, avec une résolution spatiale de 1.4 ×1.4× 0.8 mm. Pour chaque tranche, 25 phases du cycle cardiaque sont acquises pour chaque tranche. Pour la vue 2 chambres, nous avons constaté des différences dans les champs de déformations entre les quatre groupes. Pour le groupe à haut risque qui a reçu un agent protecteur (dexrazoxane), l’amplitude des champs de déformations est inférieure à celle du groupe à haut risque qui n’a pas reçu d'agent protecteur, quelle que soit la phase du cycle cardiaque (systole, diastole précoce, diastole retardée). Pour cette même vue 2 chambres, la contrainte en cisaillement et la contrainte de Von Mises sont inférieures, en systole, pour le groupe à haut risque qui reçoit un agent cardioprotecteur (HRdex) par rapport au groupe à haut risque (HR) qui n'en reçoit pas. Nous notons que le module d'élasticité est inférieur pour le groupe à risque standard (SR), comparé aux groupes HR et HRdex, pour la systole et la diastole tardive. La même différence est observée pour le module de cisaillement pour le groupe à risque standard SR, juste pour la systole. Pour la vue 4 chambres, le module d'élasticité est significativement plus élevé pour le groupe HRdex, comparé aux groupes HR, SR et à celui du groupe de volontaires sains (HV), pour les trois phases (Systole, Diastole précoce, Diastole tardive). En considérant la vue axiale, les contraintes de cisaillement et de Von Mises sont inférieures pour le groupe HR par rapport au groupe HRdex. Le module d'élasticité est inférieur pour le groupe SR par rapport aux groupes HR et HRdex. La même différence est observée pour le module de cisaillement pour le groups SR en systole. Dans la coupe axiale, en systole, les changements entre les quatre groupes pour les contraintes de cisaillement et de Von Mises ne concordent pas avec les différences trouvées pour les coupes 2 chambres et 4 chambres, probablement due à l’orientation différentes des fibres musculaires entre les coupes. Pour le module de Young, les changements en systole et en diastole retardée en coupe axiale concordent avec les différences trouvées pour les coupes 2 chambres et 4 chambres. Ces changements observés entre les groupes peuvent être expliqués par le fait que le muscle cardiaque des patients ayant survécu à un cancer se comporte différemment à cause d'une réduction de la quantité de fibres musculaires et d'une augmentation du tissu interstitiel. La sévérité de ces changements est proportionnelle à la dose totale d'anthracyclines, ce qui fait que le muscle cardiaque se dilate plus facilement, surtout, en diastole. Notre modèle nous a permis de constater des changements dans les champs de déformations, de contraintes, ainsi que pour les propriétés mécaniques du tissu cardiaque, qui présente une carditoxicité due au traitement à la Doxorubicine, ce qui vérifie notre hypothèse et montre la faisabilité d’une telle approche. Une des perspectives de cette étude est de constituer une base de données, comme les courbes de pressions individuelles ou les modules d’élasticité pour des personnes saines et des personnes présentant une cardiomyopathie, pour fin de comparaison préliminaire, afin de classer les patients par ordre de sévérité de cardiomyopathie.----------ABSTRACT Cardiovascular disease (CVD) is known to be one of the leading non-accidental causes of death, early detection of these diseases is therefore essential to reduce the mortality rate they generated. One of these causes is the effect of the chemotherapy. To treat leukemia today, chemotherapy with doxorubicin is widely used. However, this treatment leads to cardiotoxicity that affects the morphology and function of the myocardium. The cumulative doxorobicine dose dictates the degree of these anatomical and functional changes. Currently, very few techniques are available to detect such cardiotoxicities. Oncology uses the parameters like LVEF (Left ventricle ejection fraction or fractional shortening) to detect this cardiotoxicity. However, these methods fail to detect this cardiotoxicity in an early manner. Mechanical parameters play an important role in the functioning of the heart muscle, which is an organ that changes shape throughout the cardiac cycle. Tracking changes in the mechanical properties of a cardiac tissue informs us about his viability. We apply on cine-MRI images, one of the iconic methods based on optical flow, to obtain the fields of internal deformation of cardiac tissues throughout the cardiac cycle. The optical flow does not require information on the content of the image, so it is not necessary to know the organ to study its movement. An inversion method based on the virtual field method, which makes it possible to deduce the stress fields from the deformations obtained by optical flow, is used, by choosing cinematically admissible virtual fields; special virtual fields. Our study included 9 cancer survivors from the PETALE project and 3 healthy control volunteers. The cancer survivors were separated into 3 risk groups according to the cumulative doxorubicin dose received during the treatment, The standard risk (SR), group (n=3), the high risk (HR) group (n=3), the high risk with Dexrazoxane, HRdex group (n=3) that received the same median cumulative dose of Doxorubicin as the HR group along with a dose of a cardioprotective agent. In this project, the use of 2D patterns of myocardial strain is evaluated as part of the detection of myocardial damage and functional impairment due to doxorubicin treatment. Secondly, the use of these strain obtained by optical flow method as input to our model which is based on the method of special virtual fields to have the mechanical properties as well as the internal stresses of the myocardium, with the assumption that the treatment based on Doxorubicin induces significant changes in both tissue and myocardial function. MRI acquisition was done on a 3T device (Skyra™, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) using 18-channel phased array body matrix coil and an ECG-gated Steady State Free Precession (SSFP) cine sequence. Acquisition parameters were: slice thickness 8mm, repetition time 34.6ms, effective echo time 1.2ms, flip angle 38°, iPAT factor 3, matrix 208×210 and in-plane pixel size 1.25×1.25mm. Around 14 slices were acquired in the axial plane, and 5 slices in 2 chambers and 4 chambers planes. For the entire cardiac cycle, 25 images were acquired for each slice, with multiple breath holds. Within the 2-chambers view, significant changes were found for the strain fields between the four groups. Strain within HRdex were lower than in HR for the three considered phases (Systole, Early diastole, Late diastole). For the same view, shear stress and Von Mises stress, are inferior, in systole for the HRdex compared to HR. the module of elasticity is inferior for the SR compared to HR and HRdex, for the systole and the late diastole. The same difference is found for the shear modulus for the SR, in systole. Considering the 4CH view, the module of elasticity is significantly higher for the HRdex, compared to HR, and compared to SR's group and healthy volunteers HV's group, for the three considered phases (Systole, Early Diastole, Late diastole). Considering the axial view, shear and Von Mises stress were lower in systole for HR than for HRdex. The modulus of elasticity was found lower for SR than for HR and HRdex, same difference was observed for the shear modulus for the SR group in systole. In the axial view, in systole, significant changes were found between groups, for the shear and Von Mises stress. However, these changes were not found in 2CH and 4CH views, probably due to trhe different collagen fiber orientation between the views. For the modulus of elasticity, the changes in systole and late diastole were in agreement with the results obtained in 2CH and 4CH views. This difference between groups can be explained by the fact that the heart muscle of HR cancer behaves differently due to a reduction in the amount of the muscle fibers and an increase of the interstitial tissue. The severity of these changes is proportional to the cumulative anthracycline dose. If enough damage occurs, the heart expands in size and the chamber wall become thinner, creating a picture similar to dilated cardiomyopathy, in agreement with our results. Our model allowed us to observe the changes in strain fields, stress fields, as well as the mechanical properties of cardiac tissue presenting doxorubicin induced carditoxicity, which verifies our hypothesis and shows the feasibility of our approach. The perspectives of this study is to build a database for healthy volunteers and those presenting a cardiomyopathy, for preliminary comparison purposes, to rank patients according to the severity of the disease. This could help early detection of these cardiomyopathies.

Open Access document in PolyPublie
Department: Institut de génie biomédical
Academic/Research Directors: Delphine Périé-Curnier and Farida Cheriet
Date Deposited: 25 Aug 2020 10:08
Last Modified: 25 Aug 2020 10:08
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/4166/

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