Imagerie des muscles du membre suprieur et du

Imagerie des muscles du membre supérieur et du dos Gnahoua Zoabli, Candidat au doctorat Directeur de recherche Pierre A. Mathieu

§ § § § § Introduction Étude de l’activité musculaire Déficience des muscles du dos : Scoliose et DMD Objectifs Méthodologie § Imagerie du muscle squelettique § Segmentation des IRM Présentation des trois articles § Membre supérieur § Scoliose § DMD Discussion Conclusion Perspectives

Introduction 40 à 60% de la masse corporelle

Étude du muscle squelettique Acland DR, The Video Atlas of Human Anatomy, Tape 1: The Upper Extremity. In: Williams & Wilkins (ed), 1996. Dissection Raideur cadavérique (formaldéhyde) Non spécifique … EMG de surface

EMG de surface Électrodes de surface Biceps EMG: Amplitude du potentiel extracellulaire diminue rapidement lorsque la distance fibre musculaire – électrode de surface augmente Triceps Selectivité des électrodes de surface augmente lorsque la peau est moins épaisse [De la Barrera et al. , 1994] http: //www. meddean. luc. edu/lumen/meded /grossanatomy/vhp/Visible. htm (Visible human) Connaître la position relative des muscles aidera à mieux résoudre les interférences ( «cross-talk» ) … muscles du dos scoliotique

Scoliose Stokes IA, 1994 : http: //www. uvm. edu/~istokes/srs/tospine. htm Angle de Cobb

Activité des muscles du dos Scoliose idiopathique chez l’adolescent : Ø courbure de la colonne s’accompagne signal électromyographique (EMG) du côté convexe [Alexander et al, 1978; Wood et al, 1996; Odermatt et al. , 2003] EMG : Øasymétrie dans les tailles des masses gauche-droite (par ultrasonographie) musculaires [Kennelly & Stokes, 1993] concave convexe Ødébalancement de la [Avikainen et al, 1999] commande neuronale

EMG de l’érecteur du rachis (Cheung J. et. al. , 2006) Mesure de l’activité musculaire à l’apex et aux vertèbres limites de la courbure

Masse musculaire de l’érecteur du rachis à l’apex Masse musculaire le long de la colonne : Ø avec imagerie par résonance magnétique (CT, IRM) … Dystrophie musculaire

Dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) Maladie génétique § Manque de dystrophine … Objectifs de. Groupes la thèse de muscles affectés http: //www. fbsmres. leeds. ac. uk/users/bmblejm/report. htm

Objectif Développer de façon non invasive des approches permettant § Segmenter les muscles squelettiques, § Faire des mesures (longueur, volume), § Obtenir leur position relative § Mesurer l’épaisseur de la peau.

But Faciliter l’interprétation du signal EMG de surface a) Membre supérieur (prothèses myoélectriques) b) Dos de patients scoliotiques (contribution des muscles au développement de la scoliose) c) Dos de patients DMD (anticiper le développement de la scoliose) … Méthodologie

Méthodologie IRM

3 2 1 3 Tiré de Jacques de Guise, 2001 2 1 Pondération T 1 et T 2

Tiré de Bottomley et al. (1984) … Segmentation des IRM

§ Automatique Seuillage, morphologie mathématique Nécessite un histogramme sans chevauchement Non applicable aux muscles § Semi-automatique Morphologie mathématique, dilatationérosion Utile pour extraire la peau et le gras Peu appropriée pour les muscles § Interactive Contours actifs, édition manuelle Applicable aux muscles

Segmentation 3 D *Plan axial *Plan sagittal information provenant de la segmentation axiale est considérée #2 #1 (Zoabli et al. , 2001) #3 *Plan coronal information provenant de la segmentation sagittale est considérée 2 – 3 iterations Images originales 1 2 Axial Sagittal 3 Coronal *réalisée uniquement lorsque la frontières entre muscles est facilement détectable

Détail de l’étape 2 de la segmentation 3 D A B BB TLH TML BL § Utiliser les segmentations des itérations antérieures lignes verticales: en axial ligne horizontale: coronal

Précision des segmentations Fantôme IRM segmenté Fantôme IRM M 222 FL (Siemens, USA) Cylindre de plexiglas : ф= 187 mm, hauteur 60 mm dans lequel des trous variant de 11. 5 à 1. 1 mm sont percés. 11. 5 11. 4 1. 5 11. 3 1. 1 11. 2 11. 1 Surfaces segmentées • les trous (7 à 11) • Ф= 187 mm

Précision : biceps et érecteur du rachis Précision biceps brachii =0. 9% avec Φ~50 mm Précision érecteur du rachis = 1. 0% avec Φ~30 mm

Résolution vs contraste

Imagerie des muscles du dos Surface oblique Surface normale Tranche image Surface oblique

Logiciel www. tomovision. com

Présentation des articles n Article 1 – membre supérieur de sujets sains (en révision) n Article 2 – scoliose idiopathique chez l’adolescent (accepté: The Spine J. ) n Article 3 – dystrophie musculaire de Duchenne (soumission prochaine) … Article 1 - Upper limb muscle morphometry from magnetic resonance imaging

Article 1 : membre supérieur Objectif v Obtenir les dimensions des muscles, leur position relative et l’épaisseur de la peau Hypothèse v Les informations anatomiques obtenues vont faciliter l’interprétation du signal EMG de surface.

Méthodologie v Six sujets normaux v Hôpital St-Luc : 1. 5 Tesla GE Signa 5 (Milwaukee, USA) A B Objet non magnétique Brassard non magnétique

Résultats - épaisseur de la peau Peau apparaît plus épaisse chez les femmes Épaisseur vs IMC : pas de correlation trouvée

Couches de la peau BRAS Hypoderme est responsable de la variation de la peau AVANT-BRAS (14. 1 5. 2 mm) (7. 8 2. 3 mm) (1. 6 0. 4 mm) (1. 5 0. 4 mm) (1. 3 0. 4 mm) (11. 0 5. 2 mm) (5. 0 2. 0 mm)

Comparaison avec la littérature … Interprétation de l’EMG de surface

Influence de la peau sur l’EMG (biceps) Puissance diminue de 3. 4 Hz/mm de peau (R²=0. 87).

Dimensions de 6 muscles du bras et 14 muscles de l’avant-bras (M 2) A B

Comparaison avec la littérature Longueur (mm) (Lieber et al. , 1990 et 2001; Murray et al. , 2000) IRM Dissection Volume (mm 3) Brachio- Biceps radialis brachii Triceps brachii Pronator Extensor Flexor quadratus policis digitorum longus profondus (*)

Mesure le long du membre Axial slice #

Avant-bras (CSA)

Biométrie du membre supérieur Illustrations 3 D Avant-bras Bras Pression du brassard FOV : 20 cm x 20 cm + peau - peau Triceps Biceps

Discussion v Volume conducteur v v v Agit comme un filtre passe bas Puissance de l’EMG diminue quand la peau s’épaissit Pression du brassard d’électrodes v v Écrasement de la peau = 23. 7% Changement des propriétés de la peau ? Peau < 10 mm indentation du biceps + hypoderme Peau ≥ 10 mm indentation de l’hypoderme

Conclusion v La peau est plus épaisse au niveau du bras que de l’avant-bras v Épaisseur constante longitudinalement et très variable radialement v L’hypoderme est responsable de la variation de l’épaisseur de la peau v Plus la peau est épaisse plus elle réduit les caractéristiques du signal EMG v v v Amplitude Fréquence La section transverse (CSA) et la position relative des muscles peuvent faciliter v v le positionnement des électrodes de surface l’interprétation de l’EMG collecté en surface.

Article 2 : dos scoliotique Objectifs v Développer des outils permettant d’étudier l’anatomie macroscopique des muscles de l’érecteur du rachis. v 1) identifier les séquences IRM les plus courantes (période de 5 ans) v v déterminer laquelle permet d’avoir le meilleur contraste 2) pour cette séquence v v v identifier des patients dont la déviation scoliotique a été complètement imagée faire des mesures sur l’érecteur du rachis de part et d’autre de la colonne mesurer aussi l'épaisseur de la peau recouvrant l’érecteur du rachis Hypothèse v En étudiant les mécanismes de développement de la déformation scoliotique, on peut mieux tenter de prévenir la scoliose.

Méthodologie de l’article 2 v Banque de 88 patients scoliotiques (sur 5 ans) v Trois séquences : SE, FSE, GRE v Évaluation du contraste v Meilleure séquence : 17 patients

Normalisation de la scoliose Concave z Convex I 1 (x 1, y 1, z 1) 100% Above Cobb angle Apex Ap (xa, ya, za) Below I 2 (x 2, y 2, z 2) 0% y x

Différence de masse musculaire de part et d’autre de la colonne v Mesurée v Niveau v v à l’aide d’un indice (MDI) seuil de MDI (5%) MDI de quatre sujets sains (2 enfants, 1 jeune adulte, 1 adulte) MDI de quatre patients DMD qui n’avaient pas encore développé une scoliose

MDI Concave Convex Above 1 2 Apex 3 4 Below 5 6

v Épaisseur v C 7, de la peau du dos T 3, T 6, T 9, T 12 et L 3 v Analyse statistique (p<0. 05) v Correlation v bivariable de Pearson ANOVA … Résultats

Résultats Contrast évalué (moy ± ET, 1=flou 5=excellent)

Illustration de certaines des 25 courbures normalisées * = lieu de + grand volume musculaire

Indice de différence musculaire (MDI) A B MDI moyen (N=25 courbures) Concave Convex Above 15. 3% 9. 9% Apex 15. 8% 12. 1% Below 14. 3% 9. 0% Position du plus important MDI Concave Convex Above 4 3 Apex 6 5 Below 4 3 Total 14 11

Épaisseur de la peau du dos UPPER END VERTEBRA 2 1 APEX -1 -2 LOWER END VERTEBRA -10 0 10 20 30 Skinfold thickness ratio: (concaveconvex)/concave (%) Average contrast 6 5 4 3 2 4 8 Average 12 skinfold thickness (mm) 16

Article 2 - Discussion v Trois (3) séquences généralement utilisées: SE-T 1 la meilleure v Amélioration du contraste intermusculaire v Agent de contraste spécifique à l’épimysium v v v réduction des erreurs de segmentation réduction de la durée de la segmentation (automatique) Contradiction avec les résultats disponibles v Wood, 1996 v v v 1 tranche à l’apex 14 patients 5 muscles étudiés incluant l’érecteur du rachis Masse musculaire plus grande du côté convexe Saka, 1984 v v 1 tranche par vertèbre 1 patient CSA à chaque niveau vertébral Masse musculaire plus grande du côté convexe

Interprétation de l’EMG : MDI v EMG est plus grand du côté convexe à l’apex v Alexander and Season, 1978; Odermatt et al. , 2003 v Volume ES > v v v 11/25 MDI région de l’apex activité musculaire 14/25 MDI influx nerveux EMG plus grand du côté convexe à la vertèbre limite basse v Cheung et al. , 2005 et 2006 v MDI y est la plus faible (9. 0%) EMG due à l’influx nerveux MDI moyen (N=25)

Conclusion v SE-T 1 meilleure séquence pour biométrie musculaire v Distribution inégale de la masse musculaire du dos chez les scoliotiques v v Pas seulement à l’apex, mais aussi au voisinage de la vertèbre haute ou basse Peau plus mince du côté convexe au voisinage de l’apex Ces informations faciliteront l’interprétation du signal EMG capté à la surface de l’érecteur du rachis chez des patients scoliotiques.

Article 3 : dos dystrophique Objectif v Étudier l’infiltration du gras dans les muscles de l’érecteur du rachis de patients dystrophiques Hypothèse v Les informations anatomiques obtenues de l’érecteur du rachis peuvent aider à expliquer les signaux EMG qui ont été mesurés chez ces mêmes patients (Thouin, 2005).

Méthodologie de l’article 3 v Huit garçons DMD v ge : 13. 0± 1. 3 ans v 4 non scoliotiques (NS) v 2 préscoliotiques (PS) v 2 scoliotiques (S) v 2 contrôles asymptomatiques (C 1, C 2)

18 cm Protocole IRM T 12 -L 1 12 – 20 cm SE-T 1, 550/14 ms, 3 mm, 60 tranches

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Segmentation du gras infiltrés dans les muscles

Résultats Contour des muscles de l’érecteur du rachis (ES) A B Patient #6, PS, L 2 Patient #8, S, L 2 SP: LO: IL: spinalis longissimus iliocostalis (médial) (latéral)

Volume musculaire moyen (T 8 -L 4, N=8) Contrôle Non scoliotique Préscoliotique PS et S: Volume > côté concave A B C D Scoliotique

Infiltration moyenne (T 8 -L 4, N=8) Contrôle A C Non scoliotique PS et S: Infiltration > côté convexe Préscoliotique Scoliotique B D Moins de muscle sain du côté convexe

Infiltration moyenne à chaque niveau vertébral (N=8) Concave Convexe

Discussion v Biométrie musculaire chez les patients DMD v Mesure de l’infiltration du gras dans les muscles paraspinaux v v v Infiltration plus importante latéralement que médialement v v similaire à Stern et Clark (1998) Infiltration v v v ES au complet Dans chaque muscle composant l’érecteur du rachis (IL LO, SP) plus importante au voisinage de L 2 asymétrique si on considère séparément les constituantes de l’érecteur du rachis Moins de muscles sain du côté convexe

Conclusion v Analyse des muscles du dos de T 8 à L 4 (PS et S) v v Volume musculaire plus petit du côté convexe Infiltration plus importante du côté convexe v v moins de fibres musculaires Infiltration plus importante aux niveaux L 1 -L 2 Peau plus mince du côté convexe Pathomécanisme de la scoliose chez les DMD v v Distribution inégale des fibres musculaires de part et d’autre de la colonne EMG plus grand du côté convexe (Thouin JF, 2005) v v v une plus grande rétroaction des fibres musculaires une plus grande commande du système nerveux central aux motoneurones Possibilité d’un mécanisme similaire chez les scoliotiques idiopathiques

Discussion générale v Imagerie par résonance magnétique v Permet de recueillir de façon non invasive des informations anatomiques des muscles squelettiques v v Position relative des muscles Section transverse (CSA) des muscles Volume des muscles Mesures du volume conducteur faciliteront l’interprétation de l’EMG capté à la surface de la peau v Épaisseur des couches de la peau

Anatomie personnalisée - bras

Scoliose v Peau plus mince à l’apex et du côté convexe v Volume musculaire pas toujours plus grand du côté convexe En tenir compte pour l’interprétation de l’EMG

DMD v Muscles atteints v Ajouter v l’érecteur du rachis aux niveaux L 1 -L 2 Pathomécanismes de la scoliose v Distribution inégale de l’infiltration de gras v Pas de scoliose si la résultante est <5% v IL est le plus inégalement infiltré

Faiblesses de l’étude v Segmentation manuelle trop longue v v v Trop peu de patients DMD v v Muscle du bras : ~2 h/muscle Muscle de l’avant-bras: ~ 4 h/muscle Érecteur du rachis: ~2 h/patient Identification de l’iliocostalis, du longissimus et du spinalis: ~4 h/patient Objectif de 16 patients (8 obtenus) Position des patients sur le dos dans le tunnel IRM v v v Peau du dos écrasée Peau plissée par le drap Muscles compressés v De façon inégales(? ) pour les scoliotiques meilleur compromis que le patient sur le ventre Artéfacts dus à la respiration

Conclusion générale v Approche non-invasive pour mesurer certaines caractéristiques anatomiques du milieu conducteur v v v Anatomie personnalisée avec l’IRM v v Hypoderme est responsable de la variation de l’épaisseur de la peau Peau constante longitudinalement et variable radialement Peau moins épaisse du côté convexe des courbures scoliotiques Infiltration plus importante du côté convexe chez les DMD Contribuer au plan de traitement (i. e. greffe du visage, prothèse myoélectrique) Pathomécanisme de la scoliose v Scoliose provient de la distribution inégale globale des muscles des part et d’autre de la colonne (seuil et mécanisme à définir, incluant les muscles profonds)

Perspectives v Remplacer la segmentation manuelle par un algorithme automatique de délimitation des frontières entre les muscles v v Marqueurs pour faciliter la détection de l’épimysium Prédire le niveau vertébral auquel une courbure scoliotique pourra survenir chez les DMD v Analogie avec des courbures PS et S existantes v Étude avec une plus grande population v Concevoir les études ultérieures de DMD de façon à avoir une retombée bénéfique soit immédiate ou à moyen terme pour leur santé v v v i. e. : prédiction de la scoliose et moyen pour ralentir son avènement étude au niveau L 2 visant à bloquer l’infiltration du gras chez des patients nouvellement diagnostiqués. Inclure l’IRM dans l’analyse de routine des déformations scoliotiques v Prendre les images dans la région L 1 -L 3 pour l’infiltration de gras

Remerciements v v v v Prof. Pierre A. Mathieu, Directeur de recherche, Prof. Carl-Éric Aubin, Prof. , Département de mécanique, École polytechnique de Montréal Dr Hubert Labelle, Chirurgien orthopédique Les membres du jury, pour avoir accepté d’évaluer cette thèse Dr Gilles Beaudoin, Chercheur au Campus Notre-Dame (CHUM) Dr Hail Mallouche, ex-Chercheur au Campus St-Luc (CHUM) Dr Jean-Claude Décarie, Chef du département de radiologie Dr Marie-Claude Miron, Radiologue Mme Diane Choquette, Technologue en résonance magnétique Mme Julie Joncas, M. Christian Bellefleur, Mme Marie Beauséjour, Associés de recherche au LIS 3 D-LMBCAO M. David Filion, étudiant à la maîtrise Toute l’équipe du LIS 3 D-LMBCAO Tout le personnel du Laboratoire de modélisation biomédical (IGB, Ude. M) Mon épouse et toute la famille

Questions MERCI DE VOTRE ATTENTION