10ème Congrè Françai d'acoutique Lyon, 1-16 Avril 010 Évaluation artérielle d'élaticité au moyen de traitement de ignaux ultraonore de RF. Zbigniew Trawińki épartement de Ultraonore, Intitut de la Recherche de Problème Fondamentaux, Académie Pologne de Science, 0-106 Varovie, POLOGNE, ztraw@ippt.gov.pl Le meure ont été effectuée dan le modèle de l'artère immergée dan un réervoir d'eau. Le deux appareil ultraonore ynchronié, appelé Vaculaire Écho oppler (VE), développé par l'auteur, ont été employé pour l'acquiition ultraonore d'écho de la radiofréquence (RF). L onde pulatile artérielle a été déterminée par la meure ultraonore non envahiante du diamètre interne artérielle ur la bae ur la méthode de paage à zéro. La vitee d onde pulatile artérielle a été déterminée par la meure de temp de paage de l onde d'impulion entre deux point de meure éparé par la ditance de 5cm le long de la ection du modèle de l'artère. Le temp de paage a été déterminé en utiliant le critère de la imilitude de la première de dérivé de pente augmentant de courbe décrivant le changement dan le diamètre de vaieaux anguin. La vitee de vague d'impulion obtenue par la méthode propoée de deux-point a été comparée aux réultat obtenu par la méthode d'un-point baée ur la relation modifiée de Bramwell-Hill. 1 Introduction Le méthode le plu fréquemment utiliée de meurer l'élaticité artérielle ont le méthode baée ur le changement du diamètre d'artère, réultant de variation de tenion artérielle [5]. La dépendance fonctionnelle entre la coupe tranverale d'artère S et la preion P à l'intérieur de l'artère peut être définie aini [3] : S = (1/g) ln (P/P o ) [m ] (1) là où : g et le coefficient contant, P o et la preion de référence (P>P o >0). En aumant, comme point de départ, la dépendance décrite par Eq. (1), nou pouvon déterminer de coefficient g et P o ur la bae de valeur de la coupe tranverale d'artère S, meurée dan le deux point caractéritique S et S d. S et S d correpondent aux coupe tranverale d'artère déterminée repectivement au ytolique P et diatolique P d de la tenion artérielle. Aprè inertion de valeur g et P o dan la formule (1), l'expreion uivante et obtenue : S Sd P S( P) = Sd [1 + ln( )] [m ]. () Sd ln( P / Pd ) Pd En uppoant que la forme de la coupe tranverale artérielle et circulaire, S (P) peut être remplacée par la dépendance π (P)/4, là où et le diamètre d'une artère et une expreion () peut être tranformée à = 1 P ( P) d 1 + ln [m ], (3) α P d d P là où : α = ln( ), (4) d Pd et d ont repectivement le diamètre d'artère pour le ytolique P et le diatolique P d de la tenion artérielle. Le coefficient α a été appelé le coefficient logarithmique de la rigidité de paroi d'artère [3]. Pour le examen de α coefficient, l'appareil ultraonore VE, développé par l'auteur, a été utilié. Le VE conite à un ytème d'impulion de uivre de paroi, qui uit le mouvement de paroi d'artère avec l'exactitude de 7. 10-6 m. Beaucoup d'examen fait chez le peronne en bonne anté et de l'âge différent, aini que chez le patient ouffrant de l'athérocléroe [5], ont été effectué en utiliant le ytème de VE. L'utilité de cet appareil pour la claification de peronne examinée contituant le groupe à haut rique d'athérocléroe a été préenté dan la thèe doctorale de l'auteur [9]. Pour le peronne ouffrant de l'athérocléroe de artère carotide commune (CCA), la grande variation du coefficient α a été obervée. Le développement du proceu de maladie dan la paroi d'artère peut e produire avec une intenité différente. Il rend difficile d'établir un critère uniforme de l aignation de patient aux groupe en bonne anté ou malade. Comme le critère de la préviion de changement athéroclérotique e produiant dan la paroi d'artère, la valeur aumée du coefficient critique de rigidité α = α cr et défini de la façon uivante : α cr (x)=α r (x)+s, (5) là où x et l'âge de la peronne examinée, S et l'écart type de α (x), et α r (x) et la régreion linéaire de fonction du coefficient α (x), calculé pour le peronne en bonne anté, et et donné [9] par la formule : α r (x)= 0.0589x+0.73. (6) La valeur de l'écart type et égale à 0% de la valeur moyenne du α (x). Par l inertion de la valeur de l'écart type et la fonction de régreion α r (x) dan Eq. (5), nou recevon : α cr (x)=1.(0.0589x+0.73) (7) La dépendance d'âge du coefficient de rigidité α VE meuré, pour le gen an et avec athérocléroe dan le artère carotide commune, qui a été diagnotiquée par l échographie (USG), et préentée dan. 1. En outre α Cr (x) la courbe, utiliée pour la préviion de changement athéroclérotique, et montrée. Chez ce peronne d'étude avec et an le facteur de rique pour l'athérocléroe était inclu. Le facteur comme l'âge, index de mae de corp, hypertenion artérielle, hyperlipémie, le fait de fumer et
le diabétique mellite, ont identifié comme facteur de rique pour l'athérocléroe. a) 16 α 14 1 RF NRF 10 8 6 4 0 0 0 40 60 80 âge [année] b) 16 α 14 1 RF NRF 10 8 6 4 0 0 0 40 60 80 âge [année] Figure 1 : le coefficient α meuré dan le CCA, déterminé pour de peronne an ymptomatique athérocléroe (a) et pour de patient préentant l'athérocléroe dan le artère carotide (b). NRF le peronne an facteur de rique pour l'athérocléroe, RF - le gen avec de facteur de rique pour l'athérocléroe. Le réultat préenté indiquent que le coefficient de rigidité α de paroi de l'artère augmente avec l'âge. Cela veut dire que l'élaticité de la paroi artérielle affaiblit avec l'âge. La ligne olide dan. 1 (α Cr (x)) repréente le niveau critique de la rigidité coefficient. Au-deu de ce niveau la valeur du coefficient α a pu être employée comme indicateur du rique d'athérocléroe. La validation de critère propoé baé ur α Cr (x) (7), en comparaion avec de réultat du diagnotic d'échographie de l'athérocléroe, et préentée dan la table 1. USG diagnotic α(x)> α cr (x) α(x) α cr (x) Avec l athérocléroe dan CCA, 160 artère San l athérocléroe dan CCA, 19 artère 106 artère 54 artère 40 artère 15 artère Table 1 : L évaluation du choix de peronne ur le compte du rique d'athérocléroe, baée ur la meure du coefficient de rigidité α dan l'artère carotide commune (CCA), par rapport aux réultat de examen d échographie effectuée chez le peronne à l'âge de année de x. L'évaluation a prouvé qu'en groupe de peronne avec l'athérocléroe le véritable réultat poitif a été obtenu en 66%, alor qu'en groupe de peronne en bonne anté le véritable réultat négatif élevait à 79%, par rapport au diagnotic d échographie de l'athérocléroe. Le réultat obtenu indiquent que la méthode de choiir de peronne en conidérant le rique de l'athérocléroe ur la bae de l'élaticité de l'artère carotide, a une enibilité plu élevée et et plu pécifique que le choix habituellement appliqué baé ur le facteur de rique pour l'athérocléroe [1]. Cet article préente la poibilité de calcul du coefficient α par de meure de vitee d onde pulatile artérielle (PWV). L onde pulatile artérielle et un phénomène de la propagation de la preion différentielle de ang du cœur aux artère périphérique dan le corp. PWV dépend de la denité de ang et du diamètre de l'artère. PWV et un indicateur trè important de l'élaticité de l'artère. Augmentation de PWV informe au ujet de la diminution de l'élaticité artérielle. ifférente méthode de meure du PWV local ont été décrit par l'auteur dan le journal précédent [5, 6]. Elle ont été baée ur la meure ultraonore de la vitee de ang, avec l'utiliation de la méthode d'un-point et de la méthode de deux-point (oppler). En outre, PWV a été meuré en 004 par Meinder et d autre. [4], où l onde pulatile artérielle a été déterminée en utiliant l'analye de corrélation de ignaux ultraonore de RF reflété à partir de paroi artériel. Toutefoi le auteur n'ont pa tenu compte de l'effet de réflexion d onde pulatile artérielle. an le papier actuel pour l'analye de ignaux de RF, au lieu de la méthode de corrélation, la méthode de paage à zéro a été appliquée. Méthodologie La decription de la dépendance la plu bien connue du PWV et la formule préentée par Korteweg et Moen: Eh PWV = [m/], (8) ρ R là où: ρ - denité de ang, E - Module de Young de paroi d'artère, h - épaieur de paroi d'artère, R - rayon interne de l artère à la tenion artérielle minimale. En 19 Bramwell et Hill [1] ont propoé la méthode d'un-point pour la détermination de PWV baée ur la formule ce qui et préenté ci-deou : S ( P P ) PWV = d d [m/]. (9) ρ ( S S ) d En uppoant que la coupe tranverale d'artère et circulaire, la formule (9) peut être exprimée aini : ( P P ) PWV = d d [m/]. (10) ρ ( ) d Tranformée en (10) PWV ρ d = (11) P P d d et en inérant (11) dan la formule (4), le coefficient α peut être calculé aini :
PWV ρ P α = ln( ). (1) P Pd Pd La formule (1) montre que le coefficient α peut être calculé ur la bae du PWV, la denité de ang ρ et la ytole P et diatole P d de la tenion artérielle. La méthode nouvelle de deux-point de meure de la vitee locale d onde pulatile artérielle c et préentée dan ce travail. PVW déterminé avec une méthode de deux-point a été marqué avec c pour ditinguer PVW meuré avec d'autre technique. Pour la détermination de c, le diamètre intantané du modèle élatique de l'artère a été meuré. La méthode de deux-point 'et appliquée pour l'évaluation de c et a été baée ur la meure du temp de paage (TT) d onde pulatile artérielle, voyageant la ditance de 5cm le long de l'artère modelée. an la pratique médicale, la meure de c peut être dérangée par le réflexion de l'arbre artériel. Pour éviter ce interférence, le temp de paage a été meuré en employant la partie initiale de la pente e levant d onde pulatile artérielle, où l'influence de onde reflétée pourrait être négligée. La méthode 'et appliquée pour meure de TT et était décrite dan le travail précédent de l'auteur [6, 7]. Elle et baée ur le critère de la imilitude de la première le dérivé de pente e levant d onde pulatile artérielle. Une telle vitee c peut être déterminée en utiliant la formule : L c = [m/]. (13) TT Un autre paramètre trè important, décrivant l'état artériel, et le module d'élaticité. Le tendance le plu récente de application d'échographie concernent l'élatographie artérielle. La plupart d'entre elle montrent eulement la paroi artérielle, mai un paramètre plu indicatif de point de vue diagnotique et le module de Young E du mur d'artère. Il et trè difficile de meurer le module de Young d'une artère humaine de la manière non envahiante en condition clinique. Le problème principal concerne la meure non envahiante de l'épaieur h de paroi artérielle. 3 Intallation expérimentale L'intallation de meure a compri le fond (R1) et le réervoir du débordement (R), tou le deux fait du polyéthylène, et de la pompe d'eau de rotor (Fig. ). Le niveau de l'eau ditillée dan le réervoir de débordement était contant. L arroage du réervoir de débordement a paé en raion de la gravité par la pipe de ilicone (diamètre = 13mm) dan la pompe à piton commandée par ordinateur, et par le valve cardiaque artificielle - du modèle artériel de ilicium placé dan l'aquarium rempli avec de l'eau ditillé. Le niveau de l'eau dan l'aquarium était 3cm au-deu du niveau du modèle. Le rythme de la pompe timulait le condition dan le ventricule gauche du cœur humain (impulion 1Hz égal à la fréquence). Le diagramme de l'intallation expérimentale utiliée pour la meure du PWV local dan le modèle élatique de l'artère en utiliant la méthode de deux-point, et préenté dan Fig.. Le meure du PWV local (c) ont été exécutée à l'aide de deux appareillage ultraonore de VE. Le impulion ultraonore ont été tranmie par la fréquence de 6.75MHz et par la fréquence de répétition de 9kHz. L'acquiition du ignal ultraonore de RF a été effectuée avec la préciion de 14 bit et avec la fréquence de prélèvement égale à 6.5MHz, imultanément dan le deux canaux, au moyen de la carte de PC de Signatec. L'artère a été modelée avec la pipe de ilicium du diamètre interne de 7.5mm, de l'épaieur de paroi égale à 1.5mm et de la longueur égale à 96cm et à 100cm, repectivement, avant et aprè de tendre l'initiale. 4 Réultat Fig. 3 préente la variation du modèle de diamètre de l'artère (normalié), meurée en deux point de 1 et qui ont été éparé par la ditance de 5 centimètre. La variation de temp du diamètre décrit l onde pulatile artérielle. Figure 3. a) L onde pulatile artérielle normalié (le diamètre interne 1 et de la pipe) meurée à deux point du modèle de l'artère, du bourdonnement de b) de la région marqué par le cercle à tiret dan a), où la période de paage l onde pulatile artérielle TT a été déterminée. L emploi de même modèle de l'artère et de même condition expérimentale (, d et P et P d ), PVW a été déterminé par le moyen de la méthode d'un-point, elon la dépendance de Bramwell-Hill (9). Le réultat de meure du c et PWV, font la moyenne plu de 30 meure et ont préenté dan le tableau. Un-point méthode PWV [m/] eux-point méthode c [m/] 8.1 ± 0.1 3.4 ± 0.13 Table : PWV déterminé par l'un-point et le méthode de deux-point.
Figure : iagramme d'intallation expérimentale : R1 - réervoir upérieur de débordement, R - réervoir inférieur, pompe à piton - SPA3891 Vivitro Cie., P - pompe de rotor, V - valve cardiaque artificielle, C - modèle de windkeel, RP - réitance hydraulique, modèle élatique - modèle de ilicone de l'artère, VE1 et VE appareil ultraonore, 8 - aquarium, 10 - tête de meure ultraonore, P.M. - indicateur de preion avec le cathéter, S - conducteur d'ordinateur pour la pompe à piton, RF PA-14 - carte de PC à deux voie de RF Signatec pour l'acquiition de ignaux de RF, PC - IBM-PC. Le module de Young du matériel à partir duquel le modèle élatique examiné de l'artère avait été fait, a été calculé en utiliant la formule (8) et il a été égalé à E = 5.03MPa. Le module de Young était évalué à la ae de la relation de contrainte-tenion déterminée expérimentalement à la déformation de 15% et il a été égalé à E = 4.97MPa. 5 Concluion Cet article préente la méthode nouvelle de meure non envahiante de la vitee locale artérielle d onde pulatile artérielle. En outre la approche nouvelle de la détermination du coefficient logarithmique de la rigidité de paroi d artère α, ur la bae du PWV, a été préentée. L'avantage principal de la méthode propoée de deuxpoint 'et appliqué à la meure locale artérielle de vitee d onde pulatile artérielle et action d'éviter de la détermination de tenion artérielle et de erreur réultant de cette meure, ce qui mène habituellement à une grande erreur additionnelle à un niveau de ±10%. L'application de la méthode de paage à zéro pour la détermination d onde pulatile artérielle, dan la comparaion avec la méthode de corrélation habituellement appliquée, permet d'éviter le erreur réultant de l'ambiguïté de intégrale contante, qui peuvent cauer de tendance ambiguë (la polariation) [8]. PWV a été meuré en utiliant le critère de la imilitude de gradient de vitee de ang de partie initiale de pente e levant d onde pulatile artérielle, ce qui a éliminé l'influence de la réflexion de l'arbre artériel. Pour le deux c et PWV, le coefficient de variation (écart type/moyen) était 0.4%. Il Cela ignifie que la répétabilité réitération de meure était trè bonne. Le valeur de la vitee c et PWV différé de 13%. Il on a pu conidérer une erreur acceptable en comparaion de réultat de la recherche clinique éditée par le auteur diver. La différence entre le valeur du module de Young a été meurée à partir de l intenité et la force de l action à une contrainte la relation et cela calculée à partir Korteweg et Moen Eq. (8) et égale %. Ce fait prouve
que la technique non envahiante ultraonore pour la détermination du module de Young de paroi artériel pourrait être poible. La méthode d'examen de la vitee locale d onde pulatile artérielle préentée dan cet article a été effectuée ur le modèle de l'artère, mai davantage la vérification clinique ur un grand groupe de peronne et néceaire pour évaluer l'utilité de la méthode préentée pour le diagnotic in vivo. Remerciement Cette étude a été effectuée dan le année 008-010 et était en partie outenue par la conceion N N518 403634 du minitère polonai de la Science et l eneignement upérieur. Référence [1] Bot M.L., ijk J.M., Oren A., Grobbee.E., Carotid Intima-media thickne, arterial tiffne and rik of cardiovacular dieae: Current evidence, Journal of Hypertenion, 0, 1, 317-35, (00). [] Bramwell J.C., Hill A.V., The Velocity of the Pule Wave in Man, Proceeding of the Royal Society, London. B, 93, 98-306, (19). [3] Filipczyńki L., Powałowki T., Peńko B., Trawińki Z., A noninvaive ultraonic method for etimation of the elaticity of the common carotid artery, Proceeding of the 13 th Annual Meeting of the OPPLER Club, Liege, -3 April 1988, Ed. L. E. Jonnart, M.., 54-68, (1988). [4] Meinder J. M., Hoek A. P. G., Simultaneou aement of diameter and preure waveform in the carotid artery, Ultraound in Medicine & Biology, 30,, 147-154, (004). [5] Powałowki T., Trawińki Z., Noninvaive evaluation of the elaticity of common carotid artery wall, Archive of Acoutic, 19, 4, 451-465, (1994). [6] Powałowki T., Trawińki Z., Non-invaive ultraonic examination of the local pule wave velocity in the common carotid artery, Archive of Acoutic, 9, 4, 597 606, (004). [7] Powałowki T., Trawińki Z., Lamer A., Ultraonic examination of the local pule velocity in the human common carotid artery by mean of different method, Archive of Acoutic, 30, 4S, 75 78, (005). [8] Rabben S.I., Bjaerum S., Sorhu, V., Torp H., Ultraound-baed veel wall tracking: an autocorrelation technique with RF center frequency etimation, Ultraound in Medicine & Biology, 8, 4, 507-517, (00). [9] Trawińki Z., Elaticity and input impedance examination in human veel ytem by mean of ultraound, octor thei, IFTR-PAS, Waraw, (000).