L’observation selon laquelle les plaques athérosclérotiques ont tendance à se produire près des bifurcations et des courbures artérielles a conduit à l’idée largement acceptée que les forces hémodynamiques jouent un rôle important dans le développement et la progression de l’athérosclérose.1 Parce que ces forces sont déterminées principalement par la géométrie des vaisseaux, il a été suggéré que certaines personnes pourraient être plus à risque de développer une athérosclérose en raison de leur géométrie vasculaire particulière.2 Une étude précoce a montré peu de différence entre les diamètres des branches et les angles mesurés à partir d’angiographies planes d’artères carotides normales et malades;3 cependant, des études ultérieures sur divers vaisseaux ramifiés, y compris la bifurcation carotidienne, ont apporté un soutien qualifié à cette hypothèse de risque géométrique.4-9

Au cœur de la notion de risque géométrique d’athérosclérose se trouve l’hypothèse selon laquelle la géométrie des vaisseaux varie suffisamment largement dans la population. Une analyse récente des angiogrammes de près de 3000 patients de l’Essai chirurgical européen de la carotide (ECST) a montré de manière convaincante qu’il existait d’importantes variations interindividuelles des rapports de diamètre et de surface de la bifurcation carotidienne.10 Cependant, malgré la tentative de minimiser les effets secondaires de la maladie sur la géométrie en excluant les vaisseaux présentant une sténose ≥30%, les auteurs ont concédé que des modifications athéromateuses précoces non détectables dans les angiographies conventionnelles auraient pu conduire à une surestimation de la variation anatomique. L’expérience clinique de routine suggère que les artères carotides dilatées et tortueuses sont plus fréquentes chez les sujets plus âgés que chez les sujets jeunes. Par conséquent, dans le but d’élucider la relation entre l’hémodynamique vasculaire et l’athérosclérose, nous avons entrepris de tester, quantitativement, l’hypothèse selon laquelle les bifurcations carotidiennes des jeunes adultes présentent en effet moins de variabilité interindividuelle que celles des sujets plus âgés.

Méthodes

Le jeune groupe était composé de 25 volontaires apparemment en bonne santé (24±4 ans; intervalle, 19 à 38 ans; 14 M : 11 F). Un groupe témoin de 25 sujets plus âgés (63±10 ans; intervalle, 42 à 75 ans; 12 M:13 F) a été recruté parmi les patients asymptomatiques suivis au Centre de recherche sur la prévention des accidents vasculaires cérébraux et l’athérosclérose (Londres). Les critères d’inclusion étaient ≤30% de sténose bilatérale sur la base d’un examen échographique duplex antérieur et aucune contre-indication à l’IRM. Le comité d’éthique de notre université a approuvé le protocole expérimental et tous les sujets ont donné leur consentement éclairé.

Les caractéristiques démographiques de base du groupe plus âgé étaient les suivantes: 14 (56%) étaient hypertendus, 4 (16%) étaient diabétiques, 1 (4%) était un fumeur courant, 5 (20%) étaient des exsmokers, l’IMC était de 27,6 ± 2,8 kg / m2, le cholestérol total était de 5,44 ± 1,17 mmol / L, les triglycérides étaient de 1,97 ± 1,81 mmol / L et la surface totale de la plaque11 était de 0,881 ± 0,611 cm2. Les données démographiques n’ont pas été recueillies pour le groupe de jeunes.

Imagerie et reconstruction de la lumière

L’IRM a été réalisée sur un scanner Signa de 1,5 T (GE Medical Systems) à l’aide de bobines à réseaux de phase bilatéraux. Après la localisation, les deux bifurcations carotidiennes ont été imagées simultanément avec un protocole IRM de sang noir à déclenchement périphérique, qui a acquis, en moyenne, des tranches transversales contiguës de 28 × 2 mm d’épaisseur avec une résolution nominale dans le plan de 0,313 mm. Les paramètres de balayage comprenaient un écho à rotation rapide 2D, des bandes de saturation supérieure et inférieure de 8 cm d’épaisseur, un champ de vision de 160 × 160 mm2, une matrice d’acquisition de 512 × 384, un temps de répétition 2R-R, un temps d’écho de 15 ms et une longueur de train d’écho de 4. Le temps total d’acquisition, y compris l’analyse de localisation initiale, était généralement de 15 minutes par sujet.

Les limites de la lumière des artères carotides communes gauche et droite, internes et externes (CCA, ICA et ECA, respectivement) ont été extraites de chacune des images de sang noir à l’aide d’une technique semi-automatique.12 branches distales de l’ECA ont été exclues en raison de leur petite taille. L’empilement de contours résultant a été automatiquement converti en un volume d’image binaire, à l’intérieur duquel un contour dynamique discret 3D13 a été gonflé pour définir la géométrie de la lumière 3D. Des détails supplémentaires sur l’imagerie et la reconstruction numérique de la bifurcation carotidienne sont fournis ailleurs.14

Caractérisation géométrique

Une fois reconstruite numériquement, chaque géométrie de lumen 3D a été soumise à une nouvelle caractérisation géométrique entièrement automatisée. Dans des études antérieures, les dimensions et les rapports des vaisseaux ont été mesurés à divers endroits, généralement définis en termes de distance nominale d’un point de repère identifié par l’utilisateur, comme l’apex de bifurcation, et leur définition varie souvent d’une étude à l’autre. Dans la présente étude, nous avons cherché à effectuer des mesures basées sur des critères plus rigoureux et objectifs, à la fois pour minimiser le biais des opérateurs et pour encourager la standardisation des définitions géométriques pour de futures études.

Comme illustré à la figure 1A, les lignes centrales ont d’abord été générées à partir du CCA vers chacune des branches de l’ICA et de l’ECA. Selon leur définition, chaque ligne médiane héberge les centres de sphères de rayon maximal inscrites dans le vaisseau. (En pratique, le diamètre d’une sphère inscrite au maximum se rapproche du diamètre minimum du récipient.) Ces axes centraux et leurs rayons de sphère associés ont ensuite été utilisés pour identifier l’origine et le plan nominal de la bifurcation et pour diviser le vaisseau en ses 3 branches constitutives.15 La caractérisation géométrique s’est ensuite poursuivie en ce qui concerne ce système de coordonnées propre au navire.

Pour définir des paramètres géométriques objectifs pour des bifurcations de formes et de tailles différentes, nous avons d’abord défini une métrique de distance le long des lignes centrales en fonction des sphères inscrites au maximum. Comme illustré à la figure 1B, à partir de chaque origine de ligne médiane (c.-à-d. CCA0, ICA0 et ECA0) et en s’éloignant de la bifurcation, le centre de la sphère inscrite au maximum tangente au point respectif a été identifié (c.-à-d. CCA1, ICA1 et ECA1). La répétition de ce processus a produit une série de points espacés de 1 rayon de sphère, fournissant ainsi un analogue robuste et objectif de la pratique courante d’identification des emplacements des navires sur la base d’un nombre intégral de diamètres ou de rayons nominaux des navires.

Pour calculer les angles mutuels des branches sortant de la bifurcation, les orientations des branches ont d’abord été définies comme les vecteurs s’étendant depuis les origines des branches (CCA0, ICA0 et ECA0) jusqu’à un point 1 de rayon de sphère distal (CCA1, ICA1 et ECA1, respectivement). Comme illustré à la figure 1C, l’angle de bifurcation a ensuite été défini simplement comme l’angle entre les projections des vecteurs ICA et ECA sur le plan de bifurcation. De même, l’angle ICA a été défini comme l’angle entre les projections des vecteurs CCA et ICA sur le plan de bifurcation, tandis que la planarité ICA a été définie comme l’angle entre les composantes hors plan des vecteurs CCA et ICA (Figure 1D).

La tortuosité du vaisseau a été calculée comme L/D-1, où, comme illustré pour l’ICA sur la figure 1A, L est la longueur de l’axe de l’origine à la fin de la branche, et D est la distance euclidienne entre ces 2 points. La tortuosité peut donc être considérée comme l’augmentation fractionnaire de la longueur du vaisseau tortueux par rapport à un trajet parfaitement rectiligne. Ainsi, une tortuosité de 0,0 correspond à un récipient parfaitement droit, alors qu’une tortuosité de, disons, 0,2 identifie un récipient 20% plus long que la distance la plus courte entre 2 points.

Pour faciliter la comparaison avec les données de diamètre et de rapport de surface de Schulz et Rothwell, 10 sections transversales et diamètre ont été identifiés aussi loin que possible de la bifurcation. En raison de la couverture axiale réduite disponible grâce à notre protocole IRM particulier, il n’a pas toujours été possible de les mesurer à des endroits compatibles avec cette étude, à savoir lorsque les parois des vaisseaux sont parallèles. Au lieu de cela, nous avons simplement défini des distances cohérentes, en termes de notre métrique de distance basée sur le rayon de la sphère, où les aires de section transversale ont été calculées. Comme l’illustre la figure 1B, ceux-ci ont été placés aux points CCA3, ICA5 et ECA1. (Ces emplacements ont été choisis pour correspondre à ceux utilisés par Goubergrits et al.16,17 dans leurs études de bifurcation carotidienne.) Les sections transversales étaient définies par l’intersection de chaque surface de branche avec des plans normaux aux axes centraux en ces points respectifs. Le ratio de surface de bifurcation a été calculé comme la somme des zones ICA et ECA, divisée par la zone CCA. Les rapports de diamètre ICA/CCA, ECA/ CCA et ECA/ ICA ont été calculés comme la racine carrée des rapports de surface respectifs, ce qui équivaut à supposer que les sections transversales du navire (généralement non circulaires) étaient des cercles de surface équivalente.

L’effet combiné de la variabilité scan-to-scan et de l’opérateur sur la précision des reconstructions numériques de la lumière a été évalué précédemment par imagerie et analyse répétées de 3 sujets âgés photographiés 3 fois chacun à intervalles hebdomadaires.18 La reproductibilité des paramètres géométriques a été évaluée de la même manière ici à l’aide des reconstructions numériques de cette étude.

Analyse statistique

Pour chaque paramètre géométrique, les groupes ont été comparés par ANOVA imbriquée à 2 voies. Deux facteurs ont été identifiés comme sources potentielles de variation interindividuelle dans les données, à savoir le groupe d’âge (jeune par rapport à plus âgé) et le sexe, et l’interaction entre ceux-ci a donc été incluse. L’imbrication a été introduite pour tenir compte du fait que chaque sujet a contribué 2 navires aux données. Étant donné que certaines des variables géométriques dépendantes (angle de bifurcation, tortuosité CCA et tortuosité ICA) présentaient des FDs différentes entre les groupes d’âge (rapport > 4), une transformation inverse a été appliquée pour corriger leurs variances inégales avant l’analyse. Une comparaison systématique des variances des 2 groupes d’âge a été réalisée au moyen de tests F, pour lesquels les navires ont été regroupés dans le même groupe d’âge, quel que soit le sexe. Au sein du groupe plus âgé, l’effet des données démographiques de base sur chaque paramètre géométrique a été testé de la même manière à l’aide d’ANOVA imbriquées. Toutes les analyses statistiques ont été effectuées en utilisant le langage et l’environnement R open source pour le calcul statistique (version 1.9). La signification a été supposée à un niveau de P = 0,05 / 9 = 0,0056, reflétant la valeur usuelle corrigée, selon la procédure de Bonferroni, par le nombre de paramètres géométriques testés.

Résultats

L’ensemble complet des géométries de lumière de bifurcation carotidienne reconstruites pour les groupes jeunes et plus âgés est présenté aux figures 2 et 3, respectivement. La bifurcation des jeunes carotides montre clairement une variation géométrique beaucoup moins importante que chez les sujets plus âgés, ce qui est corroboré par les statistiques descriptives des paramètres géométriques résumées dans le tableau 1. En particulier, les tests F ont révélé que les variations interindividuelles des géométries de bifurcation des jeunes carotides étaient significativement plus faibles que celles du groupe plus âgé. L’ANOVA a révélé que le groupe d’âge (c’est-à-dire les jeunes par rapport aux plus âgés) avait un effet significatif sur l’angle de bifurcation, l’angle d’ICA et la tortuosité de l’ACC. Dans le groupe plus âgé, il n’y avait aucun effet significatif des données démographiques de base sur les paramètres géométriques en utilisant la valeur P corrigée par Bonferroni conservatrice de 0,0056; cependant, il y avait un effet presque significatif de la surface totale de la plaque sur le rapport de diamètre ICA/ CCA (P = 0,0095) et le rapport de surface de bifurcation connexe (P = 0,0058).

Enfin, comme résumé dans le tableau 2, les paramètres géométriques étaient très reproductibles, avec des SDs bien en dessous des variations interindividuelles respectives observées pour le groupe plus âgé et proches ou inférieures à celles du groupe jeune.

Discussion

Notre étude confirme qu’il existe effectivement des variations géométriques importantes dans les géométries de bifurcation carotidienne de sujets plus âgés présentant peu ou pas de maladie de l’artère carotide; cependant, les vaisseaux plus jeunes présentent une variabilité géométrique nettement moins importante. Cela soutient quantitativement des preuves anecdotiques indiquant l’homogénéité relative de la géométrie des vaisseaux chez les sujets jeunes par rapport aux sujets plus âgés. Il suggère également que les données de l’étude ECST peuvent, en effet, avoir été confondues par les effets secondaires de l’athérosclérose. La découverte récente d’une association entre l’épaississement intimal et l’angle d’origine de l’ICA9 pourrait également avoir été confondue par les effets de l’athérosclérose, car notre étude complémentaire de l’anthropométrie de la bifurcation carotidienne a montré que l’orientation de la bifurcation carotidienne par rapport au plan sagittal du corps (une quantité liée à l’angle d’origine de l’ICA) était significativement moins variable au sein du groupe des jeunes par rapport au groupe des plus âgés.19

Lacunes potentielles

Malgré le fait que de fortes différences significatives ont été observées entre les 2 groupes, il reste que la taille de notre échantillon était de près de 2 ordres de grandeur inférieure à celle utilisée pour caractériser la variabilité géométrique dans l’étude ECST. Néanmoins, les tests F n’ont révélé aucune différence significative entre notre FDs et celles dérivées de l’étude ECST, à l’exception du cas du rapport de surface (P< 0,0001). Des tests t non appariés ont révélé que nos rapports de diamètre et de surface moyens étaient significativement plus élevés (P< 0,0001); cependant, cela peut être attribué à la couverture axiale relativement limitée de notre protocole d’IRM du sang noir. Pour le démontrer, nous avons calculé des ratios de diamètre et de surface à partir d’une étude détaillée des diamètres de bifurcation carotidiens20 et avons constaté que les ratios dérivés de sites proximaux correspondant approximativement au nôtre étaient également plus élevés que ceux dérivés de sites distaux plus proches de ceux définis pour l’étude ECST : 0,78 versus 0,71 (ICA/CCA); 0,75 versus 0,53 (ECA/CCA); 0,97 versus 0,75 (ECA/ICA); et 1,17 versus 0,77 (rapport de surface) .

Cet effet du choix du site de mesure peut également être observé dans la comparaison plus large de nos données avec celles de l’étude ECST et des mesures post-mortem de Goubergrits et al.16,17 présenté dans la figure 4: nos mesures ont été délibérément effectuées à des endroits comparables à ceux utilisés dans ces dernières études, et on peut voir que leurs rapports de diamètre et de surface sont comparables à ceux de notre groupe plus âgé. De même, les tests F n’ont révélé aucune différence significative entre les variations interindividuelles au sein de ces 2 groupes, alors que les tests t non appariés n’ont révélé que des différences significatives entre les moyennes du rapport de diamètre ECA/ICA (P = 0,0015). Par conséquent, nous concluons que nos données, bien qu’elles proviennent d’un échantillon relativement petit, sont représentatives d’une population plus large. D’un autre côté, nous notons que de si petites tailles d’échantillon seraient insuffisantes pour élucider les relations entre la géométrie du navire et les données démographiques de base, ce qui explique pourquoi nous n’avons pas pu confirmer un effet significatif du sex21 et de la charge de plaque 9 sur la géométrie du navire dans notre groupe plus âgé.

Implications pour l’hypothèse du risque géométrique

L’implication inévitable de nos résultats est que la variation interindividuelle de la géométrie de la bifurcation carotidienne augmente avec le vieillissement et / ou la maladie. Bien qu’il soit difficile de séparer ces 2 facteurs, nous notons que les données de l’étude ECST ont montré des niveaux de variation similaires chez les patients présentant une sténose < de 30% et les patients sans maladie évidente lors de l’angiographie. Nous en déduisons que la variabilité géométrique n’augmente pas nécessairement avec la progression de la maladie bénigne, sinon nous nous attendrions à ce que ces groupes aient différents niveaux de variation interindividuelle. Les modifications de la géométrie de la bifurcation carotidienne sont donc plus susceptibles de refléter l’influence d’une maladie précoce et silencieuse angiographiquement ou, simplement, du processus de vieillissement vasculaire. Nos données ne font pas de distinction entre ces possibilités, bien que l’effet quasi significatif de la surface totale de la plaque sur les ratios diamètre ICA: CCA et surface de bifurcation laisse penser que la première pourrait être le cas. De plus, nous notons que la seule étude longitudinale du risque géométrique d’athérosclérose a conclu que, pour l’artère fémorale, des modifications de la tortuosité des vaisseaux précédaient le développement de l’athérosclérose (définie angiographiquement).22 À tout le moins, ces observations suggèrent que la géométrie de la bifurcation carotidienne chez les jeunes n’anticipe pas nécessairement son état futur.

Alternativement, il est possible que les différences interindividuelles modestes dans les géométries de bifurcation carotidienne des jeunes adultes puissent encore entraîner un risque géométrique d’athérosclérose. En effet, pour tout l’accent mis sur la géométrie, ce sont les forces hémodynamiques locales induites par la géométrie qui constituent le lien mécaniste sous-tendant l’hypothèse du risque géométrique. La sensibilité des forces hémodynamiques locales à la géométrie est bien appréciée au sens qualitatif mais pas suffisamment bien comprise quantitativement pour savoir ce que signifient les variations interindividuelles « majeures » ou « modestes » de la géométrie en termes de variations interindividuelles des paramètres hémodynamiques pertinents pour l’athérosclérose. (Cela est sur le point de changer compte tenu des développements récents dans le domaine de la dynamique des fluides computationnelle.23) Néanmoins, nos données de reproductibilité indiquent que la variabilité inhérente à la caractérisation non invasive de la géométrie de bifurcation carotidienne par IRM est à peu près du même ordre que la variabilité interindividuelle dans le groupe de jeunes. Bien que cela confirme que les niveaux de variations interindividuelles observés dans la présente étude — et, en particulier, les différences significatives entre les variations interindividuelles au sein des 2 groupes — sont réels et ne reflètent pas simplement la variabilité de mesure inhérente, cela suggère une limite inférieure, & 30 ans, sur l’âge auquel le risque géométrique pourrait être détecté pratiquement.

Résumé

Nos résultats démontrent clairement que les variations interindividuelles de la géométrie de la bifurcation carotidienne augmentent de manière significative avec le vieillissement ou la progression précoce de la maladie athérosclérotique. Cependant, ils ne prouvent ni ne réfutent l’idée que la géométrie d’un individu peut prédire le développement et la progression de l’athérosclérose. Ils soulignent plutôt une interrelation plus complexe entre la géométrie vasculaire, l’hémodynamique locale, le vieillissement vasculaire et l’athérosclérose, dont l’élucidation nécessitera presque certainement des études prospectives.

Nous avons montré ici comment la combinaison de l’imagerie non invasive et du traitement d’images 3D peut être utilisée pour caractériser la géométrie des vaisseaux de manière objective et reproductible; ainsi, avec l’utilisation croissante de l’angiographie IRM, de telles études prospectives devraient être possibles, en particulier dans la tranche d’âge de 30 à 60 ans lorsque les variations géométriques semblent évoluer. Dans cet esprit, nous avons placé nos outils de caractérisation géométrique dans le domaine public24 dans l’espoir d’encourager la standardisation des définitions géométriques, une étape qui, selon nous, sera cruciale pour de futures études et méta-analyses à grande échelle visant à identifier des facteurs locaux prédictifs d’un vieillissement vasculaire réussi.

Notes de bas de page