Quantification de l’écoulement sanguin

1 – Mesure de la vitesse d’écoulement

L’examen de l’équation fondamentale de l’effet Doppler,DF = 2(F.V.cosq)/C, fait apparaître que l’angle d’incidenceq(angle formé par la direction du faisceau d’ultrasons et la direction de l’écoulement sanguin) intervient par soncosinusdans la relation qui lie lafréquence DopplerDF(grandeur mesurée) à la vitesse circulatoire sanguine (grandeur que l’on souhaite connaître). Par conséquent, la vitesse d’écoulement du sang ne peut être connue que si l’angle d’incidence lui-même est connu.

Lorsque l’examen repose sur une sonde Doppler (à émission continue ou pulsée) autonome (sans couplage à l’échographie), l’angle ne peut être connu avec précision. Il peut être estimé visuellement, lorsque le vaisseau examiné est superficiel, disposé parallèlement à la peau. Il peut être supposé très aigu, voire négligeable, lorsque le vaisseau est supposé être perpendiculaire à la surface cutanée au niveau où est placé la sonde (sur cette supposition reposent des applications courantes comme le Doppler trans-crânien ou l’enregistrement du débit de l’aorte ascendante par voie sus-sternale). Cependant, une telle estimation manque pour le moins de rigueur. Lorsque la vitesse circulatoire doit être précisément mesurée, il est indispensable de connaître l’angle d’incidence, et ceci est rendu possible, en pratique, par le couplage écho-Doppler : lorsque le vaisseau est visualisé sur l’image d’échographie, il est relativement facile de mesurer l’angle d’incidence.

Cependant, les difficultés ne s’arrêtent pas là. D’une part, il n’est pas toujours aisé de déterminer avec précision l’orientation du flux sanguin, lorsque le vaisseau est tortueux, ou lorsque, du fait, par exemple, d’une sténose, le flux peut ne pas être strictement parallèle aux parois du vaisseau. Dans un tel cas, le Doppler couleur est fort utile. D’autre part, une incertitude de mesure de l’angle n’est tolérable que lorsque cet angle est inférieur à 60°. En effet, l’angle intervenant dans l’équation évoquée plus haut par soncosinus, une faible variation d’angle au delà de 60° entraîne une importante variation ducosinus, tandis qu’une large variation d’angle à proximité de 0° n’entraîne qu’une variation minime ducosinus. Il importe donc, dans la pratique, de rechercher toujours l’angle d’incidence le plus faible possible, et de ne procéder à la conversion fréquence Doppler – vitesse circulatoire que si l’angle est inférieur à 60°.

Par exemple, une erreur de détermination de l’angle d’incidence entre 0° et 20° entraînerait une erreur de détermination de la vitesse de seulement 6%. Par contre, une erreur entre 80° et 85° entraînerait une erreur de 100% dans la détermination de la vitesse. Entre 60° et 65°, l’erreur serait d’environ 18%.

Certains appareils refusent ainsi d’effectuer la conversion automatique fréquence Doppler – vitesse circulatoire lorsque l’angle d’incidence indiqué est supérieur à 60 ou 65°.

2 – Caractérisation de l’écoulement

Une fonction essentielle de l’exploration vasculaire par écho-Doppler est la détection et la description des perturbations locales de l’écoulement^{(10,11,12,13)}. Il s’agit, en premier lieu, du dépistage et de l’évaluation quantitative des sténoses. Un rétrécissement vasculaire localisé (sténose) provoque en effet :

Un accélération axiale (« jet » de la sténose)
Un ralentissement circulatoire d’amont et d’aval
Des phénomènes tourbillonnaires (en particulier en aval immédiat de l’obstacle)
Et, dans certaines conditions, si le rétrécissement est serré, une turbulence.

La sténose est donc caractérisée par la présence à proximité, voire la coexistence, d’écoulements sanguins très différents en vitesse, orientation, et même en sens. L’écoulement sanguin perd ainsi son caractère laminaire et régulier, pour devenir complexe, parfois même turbulent. L’analyse spectrale constitue le meilleur outil pour l’analyse et la quantification de ces perturbations du profil d’écoulement. Différents paramètres permettent de décrire le spectre des fréquences Doppler et servent de base au calcul de différentsindices:

2.1 Les paramètres descriptifs du spectre de fréquences

Les principaux paramètres proposés sont les suivants :

la fréquence modale (fM) : fréquence présentant le plus haut niveau d’énergie dans le spectre.
la fréquence maximale (fmax) : selon les auteurs, il s’agit soit de la fréquence la plus haute dans le spectre à un niveau d’énergie situé à – 12 dB du niveau de la fréquence modale, soit de la fréquence en dessous de laquelle se trouvent 95 ou 87 % de l’énergie totale du spectre.
la fréquence minimale (fmin) : fréquence la plus basse dans le spectre à un niveau d’energie situé à – 18 dB du niveau de la fréquence modale.
la fréquence pic (fp) : fréquence la plus élevée dans le spectre (à un niveau d’énergie situé à – 18 db du niveau de la fréquence modale).
la fréquence moyenne (fm) : somme de chaque fréquence pondérée par son énergie divisée par l’énergie totale du spectre.
la fréquence médiane (fmed) : fréquence en dessous de laquelle se trouvent 50 % de l’énergie totale du spectre.

Dans la pratique, l’utilisateur n’a guère à se préoccuper de ces calculs. Les appareils sont, pour la plupart, capables de calculer la fréquence moyenne (fm) instantanée (à partir de laquelle peut être calculé le débit) et de déterminer « l’enveloppe » du tracé (c’est à dire la ligne de fréquence maximale), à partir de laquelle seront calculés, de façon automatique, lesindices de résistanceet depulsatilité. De nombreux appareils sont même capables de déterminer ces paramètres « en temps réel », et d’afficher ainsi, sur le sonogramme, les lignes de fréquence maximale, moyenne, et minimale(fig. 45). La ligne de fréquence maximale donne un tracé comparable à celui fourni par le compteur de passage par zéro, sans en connaître les limites et écueils discutés plus haut.

Figure 45: Calculs automatiques effectués, à partir de l’analyse spectrale, sur le tracé Doppler d’une artère carotide commune normale. Vsyst = vitesse maximale systolique ; VteleD = vitesse maximale télédiastolique. moyVmax = moyenne temporelle de la moyenne spatiale de vitesse ; PI = indice de pulsatilité ; IR = indice de résistance ; T.acc = temps d’accélération systolique ; moyVmoy = moyenne temporelle de la moyenne spatiale de vitesse circulatoire ; FC = fréquence cardiaque.

2.2 L’analyse spectrale, base de la quantification des données du Doppler

A partir des spectres de fréquences Doppler, il est possible d’effectuer divers calculs mathématiques pour obtenir des informations utiles. Il s’agit, d’une part, de connaître lesvitesses circulatoiresen valeurs absolues, ainsi que les débits, et, d’autre part, d’évaluer ledegréde sévérité d’unesténoseartérielle.

Comme nous l’avons vu plus haut, la largeur du spectre de fréquences du signal Doppler au niveau d’unesténosedépend du degré de rétrécissement du vaisseau. Ainsi, plus la sténose est serrée, plus le spectre de fréquences est large. La largeur du spectre peut se mesurer de plusieurs façons : différence ou rapport entre fréquence maximale et fréquence médiane, largeur du spectre à – 3 dB en dessous de la fréquence modale… Ces calculs sont généralement effectués durant la phase systolique, où les perturbations sont maximales. Les données ainsi obtenues fournissent des indices qui augmentent en proportion de l’importance du rétrécissement artériel, mais restent des valeurs relatives, se prêtant surtout à des études longitudinales (surveillance de l’évolution d’une sténose). D’autres algorithmes ont été proposés pour évaluer la sévérité d’une sténose directement en pourcentage de réduction du diamètre ou de la surface de section, mais n’ont été jusqu’ici validés que dans des conditions déterminées (sonde, fréquence d’émission, vaisseau examiné). En fait, à l’heure actuelle, le degré de sténose est principalement évalué, notamment sur les artères carotides, à partir desvitesses maximales systoliques et diastoliquesmesurées au niveau le plus serré de la sténose, ainsi qu’à partir durapportdes ces vitesses sur les vitesses mesurées en amont, sur la zone non rétrécie du vaisseau. Telle est, en particulier, la base de l’évaluation du degré des sténoses carotidiennes. Les paramètres relatifs à la largeur du spectre, en revanche, ne semblent pas faire l’objet d’un consensus suffisant pour que leur utilisation puisse être largement préconisée.

3 – Mesure du débit

3.1 Le principe

L’ultrasonographie en mode Doppler permet de connaître les vitesses circulatoires sanguines, ou, du moins, leur décours temporel. Le couplage écho-Doppler, par la visualisation, sur l’image échotomographique, de la « ligne de tir » du Doppler, renseigne sur l’angle d’incidence en mode Doppler, permettant ainsi de résoudre entièrement l’équation fondamentale de l’effet Doppler.

Le profil d’écoulement dans le vaisseau n’étant généralement pas connua priori, la mesure du débit sanguin d’un vaisseau, en valeur absolue (ml.min^-1) nécessite de connaître lamoyenne spatialedes vitesses, de façon à prendre en compte leprofil d’écoulement. Cette moyenne spatiale (fm), instantanée, est calculée sur un spectre de fréquences. Il faut ensuite calculer lamoyenne temporelle, pour compenser les fluctuations cycliques du signal (en particulier lorsqu’il s’agit d’une artère). Cettemoyenne temporelle des moyennes instantanées(« Time Averaged Mean Frequency » en anglais) est calculée, entre deux limites déterminées par l’utilisateur (par exemple sur un nombre entier de cycles cardiaques)⁽¹⁴⁾.

La détermination du débit nécessite en outre de connaîtrel’aire de sectiondu vaisseau examiné. Cette surface peut être mesurée directement, en coupe transversale, sur l’image échotomographique soit à partir d’un tracé libre (on suit, à l’aide d’un palonnier, les contours du vaisseau), soit à partir d’une figure géométrique comme l’ellipse. Néanmoins, les parois latérales du vaisseau étant généralement mal représentées sur l’image échotomographique (parce que l’incidence du faisceau d’ultrasons, tangentielle, est à l’origine d’une diffraction), cette mesure de surface ne donne souvent qu’une illusion de rigueur. Dans bien des cas, l’on se contente de mesurer le diamètre antéro-postérieurD, et de considérer la section du vaisseau comme circulaire. La surface de sectionAest alors calculée par :

A=pD²/4 ou A=pr²

AvecD= diamètre etr = D/2= rayon du vaisseau (en cm).

Dès lors, le débitQpeut être calculé simplement par :

Q = TAMV . A . 60

avec: Q= débit, en ml.min^-1,

TAMV= Moyenne temporelle de la moyenne spatiale

de vitesse circulatoire sanguine, en cm.s^-1

D= diamètre, en cm

(le facteur multiplicateur 60 est nécessaire pour que le débit soit exprimé en millilitres par minute, alors que le diamètre était exprimé en cm et la vitesse en centimètres par seconde).

Sur les appareils « duplex » adaptés à l’exploration vasculaire périphérique, la transcription de fréquence Doppler en vitesse circulatoire sanguine (après indication de l’angle d’incidence par l’utilisateur) est automatique. L’appareil calcule aussi la vitesse moyenne(TAMV)entre les bornes temporelles fixées par l’utilisateur, puis affiche le débit après avoir demandé à l’opérateur de mesurer le diamètre(fig. 46).

Figure 46: Mesure du débit de l’artère carotide commune chez un patient porteur d’une fistule durale. L’opérateur mesure le diamètre (ici 0,61 cm), et l’appareil calcule automatiquement la moyenne temporelle (sur un nombre entier de cycles cardiaques) de la vitesse moyenne (ici 31,27 cm/s) pour obtenir le débit (ici 543 ml/min, soit le double de la normale). Noter que le volume de mesure a été ajusté de façon à couvrir en totalité la lumière artérielle.

3.2 Les principales causes d’erreur

Cette mesure de débit par ultrasonographie en mode Doppler se heurte cependant à trois principales causes d’erreur⁽¹⁵⁾:

La mesure du diamètre : Si l’on choisit de calculer la surface de section à partir du diamètre, on effectue une première approximation, puisque l’on néglige le cas (concernant essentiellement les veines) où la section du vaisseau n’est pas circulaire. Quoiqu’il en soit, les mesures effectuées sur l’écran (à l’aide d’un système de palonniers: « joystick » ou « trackball ») n’ont pas une précision parfaite. Celle-ci est limitée par la résolution spatiale de l’appareil (la mesure dans l’axe du faisceau d’ultrasons étant plus précise). De plus, les artefacts acoustiques, notamment au niveau de la paroi proximale, dégradent l’image (rappelons à cette occasion qu’il convient de mesurer le diamètre de la lumière, donc en excluant l’épaisseur de la paroi). Le diamètre étant élevé au carré pour le calcul de la surface de section, toute erreur sur le diamètre a des conséquences importantes sur l’évaluation du débit. Naturellement, une même erreur absolue aurait des conséquences négligeables sur un fort diamètre, et des conséquences prohibitives sur un petit diamètre. Il est donc raisonnable de ne procéder à une mesure de débit par Doppler que sur des vaisseaux d’assez fort diamètre (a fortioris’il s’agit de vaisseaux profonds, nécessitant le recours à une fréquence d’émission basse, offrant une moindre résolution axiale).
La détermination de l’angle d’incidence : L’angle d’incidence peut être affiché sur l’image échographique. En effet, la ligne de tir Doppler ainsi que le vaisseau d’intérêt sont représentés sur cette image. L’utilisateur peut, à l’aide du palonnier, déplacer un curseur pour l’aligner dans l’axe du vaisseau, et l’angle entre ligne de tir et curseur s’affiche automatiquement. Cette mesure d’angle est, elle aussi, de précision imparfaite, les erreurs étant plus importantes lorsque les parois du vaisseau ne sont pas parallèles, lorsque le vaisseau est sinueux, lorsque son image échographique est entachée d’artefacts… L’angle d’incidence intervenant par soncosinusdans l’équation fondamentale du Doppler, l’erreur de détermination de l’angle a des conséquences d’autant plus graves que l’angle est important, comme cela a été expliqué plus haut. Un angle faible n’étant pas propice à l’obtention d’une bonne image échographique, il est tout à fait légitime de procéder à la mesure de diamètre sous une incidence donnée, et à l’enregistrement Doppler sous une autre.
La détermination de la vitesse moyenne : Si l’appareil dispose du logiciel approprié, il est simple de lui demander de calculer la moyenne temporelle des moyennes spatiales instantanées (voir plus haut). Si l’on examine une artère, cette moyenne sera effectuée sur un nombre entier de cycles cardiaques. Dans tous les cas, le résultat le plus précis sera obtenu sur l’échantillon le plus long possible. Cependant, la moyenne spatiale des vitesses circulatoires sanguines n’est réellement représentative que si le vaisseau est inclus en totalité dans le volume de mesure du Doppler, c’est à dire s’il est complètement et uniformément « insoné« . Dans le cas contraire, l’enregistrement ne porte que sur une partie du vaisseau, et cette « insonation » partielle introduit un risque d’erreur dans l’évaluation du débit : surestimation si le volume de mesure n’enregistre que les vitesses les plus élevées, se trouvant dans l’axe du vaisseau ; sous-estimation si le volume de mesure n’enregistre que les vitesses les plus lentes, à proximité de la paroi. La géométrie relative du vaisseau et du faisceau d’ultrasons ne pouvant être connuea priori(et ce d’autant plus que le faisceau, généralement focalisé, n’est pas cylindrique, hormis sur les sondes à balayage mécanique), il n’est habituellement pas possible de connaître le taux de sur- ou de sous-estimation de la vitesse moyenne. S’adressant à des vaisseaux dont le profil d’écoulement est supposé connu, certains auteurs préconisent d’utiliser, pour base de calcul, non pas la fréquence Doppler moyenne mais la fréquence maximale (par exemple à 95% de l’énergie totale du spectre), voire l’enveloppe supérieure du tracé, dessinée « à la main ». Dès lors, si le profil d’écoulement est supposé plat (ce qui est considéré comme étant le cas de l’aorte ascendante), la fréquence maximale est, par définition, égale à la moyenne spatiale. Si par contre, (comme certains auteurs le supposent à propos de la veine porte ou d’artères périphériques), le profil est parabolique, la fréquence maximale est égale au double de la moyenne spatiale. Le calcul est alors fait à partir de la fréquence maximale, avec un coefficient de correction tenant compte du profil d’écoulement tel qu’il est supposé. L’avantage de cette méthode est une relative simplicité, et une apparente sécurité. En effet, la fréquence Doppler maximale est enregistrée lorsque le signal sonore du Doppler est maximal, ce qui devrait assurer une bonne reproductibilité de l’enregistrement. Cependant, cette façon de procéder ignore les variations éventuelles du profil d’écoulement, en particulier du fait d’une pathologie. Elle ne parait donc pas à même de fournir des résultats fiables pour la pratique clinique (encore qu’elle soit largement utilisée pour mesure le débit de l’aorte ascendante, avec un résultat cliniquement acceptable). Une autre approche consiste à considérer que, sur les appareils Duplex actuels, le faisceau ultrasonore, focalisé, est de faible diamètre au niveau où il intercepte le vaisseau d’intérêt si celui-ci est large. Le volume de mesure est alors ajusté de façon à couvrir en totalité ce vaisseau. On enregistre donc, dans cette traversée du vaisseau, un échantillon représentatif des vitesses circulatoires, d’une paroi à l’autre, selon l’axe de la « ligne de tir ». Bien sûr, les vecteurs de vitesse situés de part et d’autre du plan de coupe ne sont pas pris en compte. Néanmoins, l’aspect du sonogramme donne une représentation indirecte du profil d’écoulement. Dans le cas d’un profil plat, toute la brillance se trouve rassemblée au dessous de l’enveloppe supérieure. Au contraire, dans le cas d’un profil parabolique, la brillance se trouve uniformément répartie depuis la ligne de zéro jusqu’à l’enveloppe supérieure. Si l’on admet que cet échantillon est représentatif, la moyenne spatiale calculée sur cet échantillon est, elle aussi, représentative de la totalité de la section du vaisseau… si le profil d’écoulement est axi-symétrique. Cette approche présente l’avantage de prendre en compte le profil d’écoulement et ses variations physiologiques ou pathologiques éventuelles. Ses résultats sont d’autant plus exacts que le diamètre du vaisseau est important, et que celui du faisceau d’ultrasons est faible, et que le vaisseau examiné est de section large et circulaire.

La débitmétrie par ultrasonographie Doppler n’est donc pas facile mais reste possible, et sa précision est appelée à s’améliorer avec les progrès techniques. Pour l’heure, il importe que les utilisateurs soient parfaitement instruits des possibilités et limites de leur appareillage, et soient aussi conscients du fait que la notion de débit, si elle est physiologiquement très importante, ne représente pas une panacée. L’étude des vélocités sanguines, et de leur décours temporel, offre, dans bien des cas, des données séméiologiques tout aussi utiles, sinon plus.