Evaluation de la fonction du diaphragme par échographie multiparamétrique

Assessing diaphragm function using multiparametric ultrasound imaging

• Auteur / Autrice : Thomas Poulard
• Direction : Jean-Luc Gennisson, Damien Bachasson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....) - Institut de myologie (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Sharon Lori Bridal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Hug, Stefan Catheline, Lise Piquilloud Imboden, Abdul Barakat, Claude Cohen-Bacrie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Hug, Stefan Catheline
• DOI : 10.70675/6e51176eza49ez4943z97e6z682ab1288a92

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physiologie humaine

Élastographie ultrasonore

Appareil respiratoire -- Échographie

Diaphragme (anatomie)

Mots clés libres

Echographie

Diaphragme

Muscle

Physiologie

Elastographie par ondes de cisaillement

Echographie ultrarapide

Ultrasound imaging

Diaphragm

Muscle

Physiology

Shear wave elastography

Ultrafast ultrasound imaging

Résumé

Le diaphragme est le muscle principal de la respiration. Pendant l’inspiration, sa contraction génère une dépression intra-thoracique, permettant les échanges gazeux entre les poumons et l’air ambiant. La pression générée par la contraction du diaphragme, appelée pression transdiaphragmatique, peut être mesurée chez l’humain grâce à des sondes placées dans l’œsophage et dans l’estomac. Néanmoins, le caractère invasif de cette approche et sa complexité limitent son application en milieu clinique. L’échographie permet notamment de visualiser de manière non-invasive le comportement du diaphragme au cours de la ventilation. Cependant, les relations entre les paramètres dérivés de l’échographie conventionnelle et ceux dérivés des méthodes de références pour l’évaluation de la fonction diaphragmatique restent incertaines. Les avancées récentes en échographie, telle que l’échographie ultrarapide et l’élastographie par ondes de cisaillement permettent d’envisager une évaluation échographique multiparamétrique du diaphragme. L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer la capacité de différentes approches échographiques à évaluer la fonction diaphragmatique de manière non-invasive. Au cours d’une première étude, nous avons démontré que la fraction d’épaississement du diaphragme, mesurée par échographie conventionnelle, ne permet pas d’évaluer de manière spécifique l’effort diaphragmatique tant chez le sujet sain que chez le patient ventilé. Le recours à de nouvelles techniques d’échographie était donc nécessaire. L’élastographie par ondes de cisaillement permet de mesurer la raideur des tissus par échographie. Dans une deuxième étude, nous avons rapporté que les changements de raideur du diaphragme étaient corrélés aux changements de pression transdiaphragmatique chez le patient ventilé. Ce travail a également révélé que des développements technologiques permettant d’augmenter la cadence d’imagerie de l’élastographie par ondes de cisaillement étaient nécessaires afin de généraliser cette technique à tous les patients. Cette problématique a fait l’objet d’une troisième étude, au cours de laquelle une séquence échographique a été développée et caractérisée, permettant d’augmenter de manière significative la cadence d’imagerie de l’élastographie par ondes de cisaillement. Dans une quatrième étude, une séquence d’imagerie échographique ultrarapide a été développée dans le but de capturer la secousse du diaphragme en réponse à une stimulation magnétique des nerfs phréniques. Nous avons démontré que la production de pression du diaphragme induite par la stimulation magnétique était fortement corrélée aux indices échographiques mesurés, tels que la vitesse tissulaire maximale. Cette dernière approche permettrait une évaluation non-volontaire et non-invasive de la fonction diaphragmatique. Ce travail de thèse démontre les limites des approches conventionnelles en échographie et le potentiel de techniques innovantes d’échographie pour l’évaluation de la fonction du diaphragme. L’application de ces techniques à des populations présentant une dysfonction diaphragmatique pourrait faciliter le diagnostic et améliorer le suivi de ces patients.

The diaphragm is the main muscle of respiration. During inspiration, its contraction generates an intra-thoracic depression, allowing gas exchanges between the lungs and the ambient air. The pressure generated by the contraction of the diaphragm, namely the transdiaphragmatic pressure, can be measured in humans with probes placed in the esophagus and stomach. However, the invasiveness of this approach and its complexity limit its application in clinical settings. Ultrasound imaging allows a non-invasive visualization of the behavior of the diaphragm during ventilation. However, the relationships between parameters derived from conventional ultrasound and those derived from reference methods for the evaluation of diaphragmatic function remain uncertain. Recent advances in ultrasound imaging, such as ultrafast ultrasound and shear wave elastography, allow for multiparametric ultrasound assessment of the diaphragm. The objective of this thesis work was to evaluate the ability of different ultrasound approaches to assess diaphragmatic function in a non-invasive manner. In a first study, we demonstrated that the diaphragm thickening fraction, measured by conventional ultrasound, does not allow a specific assessment of diaphragmatic effort in both healthy and ventilated patients. The use of new ultrasound techniques was therefore necessary. Shear wave elastography is an ultrasound technique allowing the measurement of tissue stiffness. In a second study, we reported that changes in diaphragm stiffness correlated with changes in transdiaphragmatic pressure in ventilated patients. This work also revealed that technological developments aiming at increasing the imaging rate of shear wave elastography were needed to generalize this technique to all patients. This issue was the subject of a third study, during which an ultrasound sequence was developed and characterized, allowing a significant increase in the imaging rate of shear wave elastography. In a fourth study, an ultrafast ultrasound imaging sequence was developed to capture diaphragm twitch contraction in response to a magnetic stimulation of the phrenic nerves. We demonstrated that diaphragm pressure production induced by magnetic stimulation was highly correlated with measured ultrasound indices, such as maximal tissue velocity. This latter approach would allow a non-voluntary and non-invasive assessment of diaphragmatic function. This thesis work demonstrates the limitations of conventional ultrasound approaches and the potential of innovative ultrasound techniques for the evaluation of diaphragm function. The application of these techniques to populations with diaphragmatic dysfunction could facilitate diagnosis and improve follow-up of these patients.