Volume d’éjection systolique, VTI (vitesse temps intégral) et débit cardiaque

Principes hémodynamiques : débit et volume

L’échocardiographie quantitative moderne dépasse la simple imagerie morphologique pour fournir une évaluation fonctionnelle précise. Elle repose sur des principes de mécanique des fluides appliqués au système cardiovasculaire. Si l’on considère le flux sanguin comme laminaire (profil de vitesse plat) et le conduit (l’artère ou la chambre de chasse) comme un cylindre rigide de section constante, le débit instantané (Q) est le produit de la surface de section (A) et de la vitesse d’écoulement (v) :

Q = A × v

Ce principe fondamental est la pierre angulaire de l’évaluation hémodynamique non invasive au lit du patient. Il permet d’estimer le débit sanguin à travers les valves cardiaques (aortique, mitrale, pulmonaire) ou les gros vaisseaux. Comme l’illustre la figure 1, la voie d’éjection du ventricule gauche (chambre de chasse ou LVOT) et l’anneau aortique peuvent être modélisés comme un cylindre. Cette modélisation suppose que la zone d’écoulement est circulaire et que le profil de vélocité est uniforme sur toute la section (flux bouchon), une approximation valide dans la chambre de chasse ventriculaire gauche normale.

La surface (Aire) est calculée à partir de la mesure du diamètre, en utilisant la formule géométrique de l’aire d’un disque : Aire = π × (Diamètre/2)2, ou plus simplement Aire = 0,785 × Diamètre2. La vitesse du sang est quant à elle mesurée en temps réel grâce à l’effet Doppler (Figure 1), qui quantifie le déplacement des hématies parallèlement au faisceau ultrasonore.

Intégrale Temps-Vitesse (ITV ou VTI)

La formule Q = A × v décrit un débit instantané. Cependant, en physiologie cardiaque, le flux est pulsatile et non continu. Le volume (V) éjecté à travers un segment spécifique est le produit du débit (Q) et du temps (t) :

V = Q × t

Étant donné que la vitesse du sang change continuellement au cours de la systole (accélération rapide, pic de vélocité, puis décélération), on ne peut utiliser une simple vitesse moyenne arithmétique. Il est nécessaire d’intégrer la vitesse sur la durée de l’éjection. C’est ici qu’intervient le Doppler, capable d’enregistrer ces variations temporelles avec une grande précision.

Pour calculer le volume traversant une valve, on positionne le volume d’échantillon Doppler au niveau de l’orifice ou de la chambre de chasse. L’échographe affiche le spectre des vitesses en fonction du temps :

• Doppler Pulsé (PW) : Utilisé préférentiellement dans la chambre de chasse du VG (CCVG ou LVOT). Le volume d’échantillon (généralement réglé entre 3 et 5 mm) est placé à environ 5 mm en amont de l’anneau aortique. À cet endroit, le flux est laminaire et les vitesses sont généralement < 1.7 m/s, ce qui permet d'obtenir une enveloppe spectrale creuse (figure 2) avec un "clic" de fermeture valvulaire net, mais sans le "clic" d'ouverture (qui indiquerait une position trop proche de la valve).
• Doppler Continu (CW) : Utilisé pour les flux transvalvulaires à haute vélocité (ex: sténose aortique, insuffisance mitrale) pour éviter le phénomène d’aliasing, permettant de mesurer les vitesses maximales quel que soit leur niveau.

L’aire sous la courbe de ce spectre de vitesse est calculée automatiquement par l’appareil lorsque l’opérateur trace l’enveloppe du flux (modalité « trace »). Cette intégrale est appelée ITV (Intégrale Temps-Vitesse) ou VTI (Velocity Time Integral). Elle s’exprime en centimètres (cm) et représente la « distance de course » (stroke distance) : concrètement, cela correspond à la distance qu’une colonne de sang parcourt durant une systole unique.

Note clinique : L’ITV sous-aortique est un paramètre fondamental de la performance ventriculaire gauche. Une valeur normale se situe généralement entre 18 et 22 cm. Une ITV < 15 cm est un marqueur sensible d'un bas débit cardiaque (dysfonction systolique sévère ou petit ventricule), tandis qu'une ITV > 25 cm peut indiquer un état hyperkinétique ou une insuffisance aortique significative.

Volume d’Éjection Systolique (VES)

Le Volume d’Éjection Systolique (VES, ou Stroke Volume – SV en anglais) correspond à la quantité de sang éjectée par le ventricule gauche à chaque battement. Bien que le VES puisse être estimé par la méthode biplane de Simpson (Volumes télédiastolique – télésystolique), la méthode Doppler est souvent plus robuste car moins dépendante de la qualité des contours endocardiques apicaux. La méthode de référence repose sur l’analyse de la chambre de chasse du ventricule gauche (CCVG ou LVOT). Cette méthode nécessite deux mesures distinctes et précises :

• 1. Diamètre de la chambre de chasse (D_LVOT) : Mesuré en coupe parasternale grand axe (PLAX). Il est impératif de zoomer sur la zone sous-valvulaire aortique. La mesure se fait conventionnellement en mésosystole (moment de l’ouverture maximale), de bord interne à bord interne (interface sang-tissu), à environ 5-10 mm de l’anneau valvulaire, parallèlement au plan de l’anneau.
• 2. Vitesse d’écoulement (ITV_LVOT) : Mesurée en coupe apicale 5 cavités (ou 3 cavités) à l’aide du Doppler pulsé. Le volume d’échantillon est placé au même niveau anatomique que la mesure du diamètre (5 mm sous la valve), là où le flux est laminaire, en évitant le clic de fermeture valvulaire excessif ou les artefacts de paroi.

La formule du volume d’éjection systolique (VES) combine l’aire de section et l’intégrale de vitesse :

VES = Aire_LVOT × ITV_LVOT

Où AireLVOT = π × (DLVOT/2)2. En remplaçant par le diamètre, la formule pratique devient :

VES = 0,785 × (D_LVOT)² × ITV_LVOT

Le diamètre est mesuré en cm, l’aire en cm², l’ITV en cm. Le résultat (VES) est donc exprimé en cm³ ou ml par battement. La figure 3 illustre schématiquement cette combinaison de données bidimensionnelles et Doppler.

Précision et pièges méthodologiques

La précision du calcul du VES dépend lourdement de la qualité de la mesure du diamètre de la chambre de chasse. Puisque le diamètre est élevé au carré dans la formule de l’aire, toute erreur est amplifiée exponentiellement. Par exemple, une erreur de mesure de 2 mm sur un diamètre de 20 mm entraîne une erreur de près de 20% sur le calcul du VES et du débit cardiaque. Il est crucial de répéter les mesures (moyenne de 3 à 5 cycles en rythme sinusal, et 5 à 10 cycles en cas de fibrillation atriale) et de s’assurer que le faisceau Doppler est bien parallèle au flux sanguin (angle θ proche de 0°) pour ne pas sous-estimer l’ITV.

Une autre limitation physiologique est la géométrie de la chambre de chasse. L’échocardiographie 2D suppose que le LVOT est parfaitement circulaire. Or, il est souvent elliptique. Cette approximation peut conduire à une sous-estimation du VES. Dans les cas où la précision est critique, l’échocardiographie 3D (planimétrie directe de l’aire du LVOT) ou le scanner cardiaque peuvent offrir une mesure plus exacte de l’aire anatomique.

Débit cardiaque (DC) et Index Cardiaque (IC)

Le débit cardiaque (DC, ou CO pour Cardiac Output) représente le volume de sang pompé par le cœur en une minute. Il s’agit du produit du volume d’éjection systolique par la fréquence cardiaque (FC ou HR) :

DC (L/min) = [VES (ml) × FC (bpm)] / 1000

Pour standardiser cette mesure et permettre la comparaison entre des patients de gabarits différents (ex: un patient de 50 kg vs 100 kg), on utilise l’Index Cardiaque (IC). L’index cardiaque rapporte le débit à la surface corporelle (BSA, Body Surface Area) :

IC (L/min/m²) = DC / BSA

Valeurs normales et implications cliniques

Il est essentiel pour le clinicien de connaître les valeurs de référence :

• VES normal : 60 à 100 ml (ou indexé : 35-59 ml/m²)
• Débit Cardiaque (DC) : 4.0 à 8.0 L/min (au repos)
• Index Cardiaque (IC) : 2.5 à 4.0 L/min/m²

Une baisse de l’index cardiaque (< 2.2 ou 2.0 L/min/m²) définit un état de bas débit, retrouvé dans l’insuffisance cardiaque avancée ou le choc cardiogénique. À l’inverse, un index élevé (> 4.0 L/min/m²) peut se voir dans les états hyperkinétiques tels que le sepsis, l’anémie sévère, la thyréotoxicose ou les shunts artério-veineux.

Application clinique majeure : L’équation de continuité

Le principe de conservation de la masse stipule que le débit entrant dans un système doit être égal au débit sortant (en l’absence de fuite ou de shunt). Dans le cœur, cela signifie que le volume de sang passant par la chambre de chasse (LVOT) doit être égal au volume traversant la valve aortique (VAo).

VES_LVOT = VES_{ValveAortique}
soit
Aire_LVOT × ITV_LVOT = Aire_VAo × ITV_VAo

Cette relation, appelée équation de continuité, est fondamentale pour quantifier les sténoses valvulaires. En mesurant l’aire et l’ITV sous la valve, et l’ITV maximale à travers la valve (en Doppler continu), on peut calculer la surface d’ouverture de la valve aortique (AVA) :

Aire_VAo = (Aire_LVOT × ITV_LVOT) / ITV_VAo

C’est la méthode de référence pour le diagnostic et la gradation du rétrécissement aortique. Elle est préférée à la simple mesure des vitesses car elle corrige l’évaluation en fonction du débit cardiaque du patient (utile notamment dans le rétrécissement aortique à bas débit / bas gradient).

Autres applications : Rapport Qp/Qs et Shunts

Les principes de calcul de volume et de débit peuvent également être appliqués pour quantifier les shunts intracardiaques (ex: communication interauriculaire ou interventriculaire). En comparant le débit pulmonaire (Qp) au débit systémique (Qs), on obtient le rapport de shunt.

• Débit Systémique (Qs) : Calculé au niveau de la chambre de chasse VG (LVOT).
• Débit Pulmonaire (Qp) : Calculé au niveau de la chambre de chasse ventriculaire droite (RVOT) ou de l’anneau pulmonaire.

Ratio Qp/Qs = (Aire_RVOT × ITV_RVOT) / (Aire_LVOT × ITV_LVOT)

Un rapport Qp/Qs égal à 1 est normal. Un rapport > 1.5 indique généralement un shunt gauche-droite hémodynamiquement significatif nécessitant une discussion thérapeutique.