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Non-invasive Evaluation of Aortic Stiffness Dependence with Aortic Blood Pressure and Internal Radius by Shear Wave Elastography and Ultrafast Imaging - 04/02/18

Doi : 10.1016/j.irbm.2017.12.001 
C. Papadacci a, b, , T. Mirault c, d, e, B. Dizier d, M. Tanter a, b, E. Messas c, e, M. Pernot a, b
a Institut Langevin, ESPCI Paris, CNRS UMR7587, Inserm U979, Paris, France 
b Inserm Technology Research Accelerator in Biomedical Ultrasound, Paris, France 
c Médecine vasculaire, Hôpital Européen Georges-Pompidou – Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité, France 
d Inserm UMR 1140, Faculté de Pharmacie, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité, Paris, France 
e Inserm UMR 970, Paris Research Cardiovascular Center (PARCC), Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité, Paris, France 

Corresponding author.

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Abstract

Background

Elastic properties of arteries have long been recognized as playing a major role in the cardiovascular system. However, non-invasive in vivo assessment of local arterial stiffness remains challenging and imprecise as current techniques rely on indirect estimates such as wall deformation or pulse wave velocity. Recently, Shear Wave Elastography (SWE) has been proposed to non-invasively assess the intrinsic arterial stiffness.

Methods

In this study, we applied SWE in the abdominal aortas of rats while increasing blood pressure (BP) to investigate the dependence of shear wave speed with invasive arterial pressure and non-invasive arterial diameter measurements. A 15 MHz linear array connected to an ultrafast ultrasonic scanner, set non-invasively, on the abdominal aorta of anesthetized rats   was used. The SWE acquisition followed by an ultrafast (UF) acquisition was repeated at different moment of the cardiac cycle to assess shear wave speed and arterial diameter variations respectively. Invasive arterial BP catheter placed in the carotid, allowed the accurate measurement of pressure responses to increasing does of phenylephrine infused via a venous catheter.

Results

The SWE acquisition coupled to the UF acquisition was repeated for different range of pressure. For normal range of BP, the shear wave speed was found to follow the aortic BP variation during a cardiac cycle. A minimum of (5.06 ± 0.82) m/s during diastole and a maximum of (5.97 ± 0.90) m/s during systole was measured. After injection of phenylephrine, a strong increase of shear wave speed (13.85 ± 5.51) m/s was observed for a peak systolic arterial pressure of (190 ± 10) mmHg. A non-linear relationship between shear wave speed and arterial BP was found. A complete non-invasive method was proposed to characterize the artery with shear wave speed combined with arterial diameter variations. Finally, the results were validated against two elastic moduli: the incremental elastic modulus and the pressure elastic modulus derived from BP and arterial diameter variations.

Conclusion

The slopes derived from the proposed method could be a useful index to characterize arteries completely non-invasively in the clinic without the need to use blood pressure measurements.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract

An ultrasonic probe is positioned on top of the abdominal aorta of a rat. Pressure catheter is used to monitor blood pressure level and phenylephrine injection is used to increase it. Shear wave propagation is induced and tracked along the abdominal aorta at different moments of the cardiac cycle and for different levels of blood pressure. A non-linear relationship is found when shear wave speed is displayed against blood pressure. Two successive linear relationships are found that can be explained by the elastin–collagen model.

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Highlights

Shear wave speed evaluation over one cardiac cycle using ultrasound shear wave elastography in rats' arteries.
Recovering the non-linear mechanical behavior of the abdominal artery by varying internal blood pressure.
Validation of the non-invasive method against validated techniques.

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