Imagerie des muscles du membre supérieur et du dos

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

2. 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

3. Introduction 40 à 60% de la masse corporelle

4. Acland DR, The Video Atlas of Human Anatomy, Tape1: The Upper Extremity. In: Williams & Wilkins (ed), 1996. Dissection Raideur cadavérique (formaldéhyde) Étude du muscle squelettique Non spécifique … EMG de surface 

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

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

7. Activité des muscles du dos Scoliose idiopathique chez l’adolescent : • 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 : • asymétrie dans les tailles des masses musculaires gauche-droite (par ultrasonographie)[Kennelly & Stokes, 1993] • débalancement de la commande neuronale [Avikainen et al, 1999] concave convexe

8. 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

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

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

11. 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.

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

13. Méthodologie IRM

14. 3 2 1 2 1 3 Pondération T1 et T2  Tiré de Jacques de Guise, 2001

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

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

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

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

19. 11.5 11.4 1.5 11.3 1.1 11.2 11.1 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. • Surfaces segmentées • les trous (7 à 11) • Ф= 187 mm

20. 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

21. Résolution vs contraste

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

23. Logiciel www.tomovision.com

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

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

26. Méthodologie • Six sujets normaux • Hôpital St-Luc: 1.5 Tesla GE Signa 5 (Milwaukee, USA) A B Objet non magnétique Brassard non magnétique

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

28. Hypoderme est responsable de la variation de la peau Couches de la peau BRAS AVANT-BRAS (14.1  5.2 mm) (7.8  2.3 mm) (1.6  0.4 mm) (1.5  0.4 mm) (1.5  0.4 mm) (1.3  0.4 mm) (11.0  5.2 mm) (5.0  2.0 mm)

29. Comparaison avec la littérature … Interprétation de l’EMG de surface 

30. Influence de la peau sur l’EMG (biceps) Puissance diminue de 3.4 Hz/mm de peau (R²=0.87).

31. Dimensions de 6 muscles du bras et 14 muscles de l’avant-bras (M2) A B

32. IRM Longueur (mm) Dissection Pronator quadratus Flexor digitorum profondus Brachio-radialis Biceps brachii Triceps brachii Extensor policis longus Volume (mm3) (*) Comparaison avec la littérature(Lieber et al., 1990 et 2001; Murray et al., 2000)

33. Mesure le long du membre Axial slice #

34. Avant-bras (CSA)

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

36. Discussion • Volume conducteur • Agit comme un filtre passe bas • Puissance de l’EMG diminue quand la peau s’épaissit • Pression du brassard d’électrodes • 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

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

38. Article 2 : dos scoliotique Objectifs • Développer des outils permettant d’étudier l’anatomie macroscopique des muscles de l’érecteur du rachis. • 1) identifier les séquences IRM les plus courantes (période de 5 ans) • déterminer laquelle permet d’avoir le meilleur contraste • 2) pour cette séquence • 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 • En étudiant les mécanismes de développement de la déformation scoliotique, on peut mieux tenter de prévenir la scoliose.

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

40. Normalisation de la scoliose Concave Convex z I1 (x1, y1, z1) 100% Above Cobb angle Apex Ap (xa, ya, za) Below I2 (x2, y2, z2) 0% y x

41. Différence de masse musculaire de part et d’autre de la colonne • Mesurée à l’aide d’un indice (MDI) • Niveau 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

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

43. Épaisseur de la peau du dos • C7, T3, T6, T9, T12 et L3 • Analyse statistique (p<0.05) • Correlation bivariable de Pearson • ANOVA … Résultats 

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

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

46. Concave Convex Above 15.3% 9.9% Apex 15.8% 12.1% Below 14.3% 9.0% Concave Convex Above 4 3 Apex 6 5 Below 4 3 Total 14 11 Indice de différence musculaire (MDI) MDI moyen (N=25 courbures) A Position du plus important MDI B

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

48. Article 2 - Discussion • Trois (3) séquences généralement utilisées: SE-T1 la meilleure • Amélioration du contraste intermusculaire • Agent de contraste spécifique à l’épimysium •  réduction des erreurs de segmentation •  réduction de la durée de la segmentation (automatique) • Contradiction avec les résultats disponibles • Wood, 1996 • 1 tranche à l’apex • 14 patients • 5 muscles étudiés incluant l’érecteur du rachis • Masse musculaire plus grande du côté convexe • Saka, 1984 • 1 tranche par vertèbre • 1 patient • CSA à chaque niveau vertébral • Masse musculaire plus grande du côté convexe

49. MDI moyen (N=25) Interprétation de l’EMG : MDI • EMG est plus grand du côté convexe à l’apex • Alexander and Season, 1978; Odermatt et al., 2003 • Volume ES > • 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 • Cheung et al., 2005 et 2006 • MDI y est la plus faible (9.0%) EMG due à l’influx nerveux

50. Conclusion • SE-T1 meilleure séquence pour biométrie musculaire • Distribution inégale de la masse musculaire du dos chez les scoliotiques • 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.