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

40 à 60% de la masse corporelle Introduction 40 à 60% de la masse corporelle

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

… muscles du dos scoliotique  EMG de surface Biceps Triceps http://www.meddean.luc.edu/lumen/meded/grossanatomy/vhp/Visible.htm (Visible human) Électrodes 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 position relative des muscles aidera à mieux résoudre les interférences («cross-talk») … muscles du dos scoliotique 

Stokes IA, 1994 : http://www.uvm.edu/~istokes/srs/tospine.htm Scoliose L’angle de Cobb est mesuré sur le plateau des vertèbres aux points d’inflexion. Scolise légère : 20° and 29° Scoliose sévère : 30° to 39° Stokes IA, 1994 : http://www.uvm.edu/~istokes/srs/tospine.htm Angle de Cobb

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

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

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

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

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 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 

Méthodologie IRM

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

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

Automatique Semi-automatique Interactive 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

Segmentation 3D Coronal Axial Sagittal #1 #2 #3 1 2 3 (Zoabli et al., 2001) *Plan axial *Plan sagittal information provenant de la segmentation axiale est considérée *Plan coronal information provenant de la segmentation sagittale est considérée #1 #2 #3 2 – 3 iterations Images originales 1 *réalisée uniquement lorsque la frontières entre muscles est facilement détectable Technique de segmentation manuelle 3D. Cette technique a été évaluée et jugée fiable et plus précise que la traditionnelle segmentation 2D. Lorsqu’elle est effectuée progressivement en axial, sagittal puis en coronal sur des tranches où les contours sont bien visibles, un opérateur peu expérimenté peut réaliser des résultats acceptable. Avec le temps et plus sa connaissance de l’anatomie musculaire s’accroît, sa performance se rapproche de celle de l’expert. Une telle approche permet de réduire considérablement le coût associé au traitement post-acquisition en utilisant du personnel régulier. 2 3 Coronal Axial Sagittal

Détail de l’étape 2 de la segmentation 3D B BB BL TLH TML 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 11.3 11.2 11.1 1.1 1.5 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 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 

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.

Brassard non magnétique Méthodologie Six sujets normaux 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 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) Hypoderme est responsable de la variation de la peau

Comparaison avec la littérature Hypoderme est responsable de la variation de l’épaisseur de la peau Épaisseur de la peau varie essentiellement de façon radiale (selon la circonférence du membre) EMG de surface : signaux longitudinaux non affectés par l’épaisseur de la peau. Caractéristiques des signaux transverses affectées par l’épaisseur de la peau Adiposométre est une méthode simple et fiable pour mesurer l’épaisseur totale de la peau sur peu de sites. L’IRM est une alternative préférable pour des mesures détaillées de l’épaisseur des différentes couches de la peau. … Interprétation de l’EMG de surface 

Influence de la peau sur l’EMG (biceps) C et B 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 (M2)

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

Mesure le long du membre Axial slice #

Avant-bras (CSA) CSA : cross-sectional area (surface mesurée sur la coupe transverse du muscle) Ce paramètre est très utile pour le suivi de patients souffrant de la dystrophie musculaire. C’est aussi le CSA qui est utilisé pour la distribution gauche-droite des muscles du dos chez des patients scoliotiques. Le fait de pouvoir le déterminer ‘en continu’ et de façon personnalisée donne beaucoup d’espoir pour le suivi de cette catégorie de patients en plus de servir en médecine sportive ou généralement en réadaption.

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

Discussion Volume conducteur Pression du brassard d’électrodes 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

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.

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.

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 Reduire texte

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

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

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

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

Contrast évalué (moy ± ET, 1=flou  5=excellent) 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) MDI moyen (N=25 courbures) A Concave Convex Above 15.3% 9.9% Apex 15.8% 12.1% Below 14.3% 9.0% Position du plus important MDI B Concave Convex Above 4 3 Apex 6 5 Below Total 14 11

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

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

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 MDI moyen (N=25)

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.

Article 3 : dos dystrophique Objectif Étudier l’infiltration du gras dans les muscles de l’érecteur du rachis de patients dystrophiques Hypothèse 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 Huit garçons DMD Âge : 13.0±1.3 ans 4 non scoliotiques (NS) 2 préscoliotiques (PS) 2 scoliotiques (S) 2 contrôles asymptomatiques (C1, C2)

Protocole IRM T12-L1 12 – 20 cm 18 cm SE-T1, 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

Contour des muscles de l’érecteur du rachis (ES) Résultats Contour des muscles de l’érecteur du rachis (ES) A B Patient #6, PS, L2 Patient #8, S, L2 SP: spinalis (médial) LO: longissimus IL: iliocostalis (latéral)

Volume musculaire moyen (T8-L4, N=8) Contrôle Non scoliotique Pré-scoliotique Scoliotique PS et S: Volume > côté concave A B C D

Infiltration moyenne (T8-L4, N=8) Contrôle Non scoliotique Pré-scoliotique Scoliotique A B PS et S: Infiltration > côté convexe C D  Moins de muscle sain du côté convexe

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

Discussion Biométrie musculaire chez les patients DMD Mesure de l’infiltration du gras dans les muscles paraspinaux ES au complet Dans chaque muscle composant l’érecteur du rachis (IL LO, SP) Infiltration plus importante latéralement que médialement similaire à Stern et Clark (1998) Infiltration plus importante au voisinage de L2 asymétrique si on considère séparément les constituantes de l’érecteur du rachis Moins de muscles sain du côté convexe Reduire texte

Conclusion Analyse des muscles du dos de T8 à L4 (PS et S) Volume musculaire plus petit du côté convexe Infiltration plus importante du côté convexe  moins de fibres musculaires Infiltration plus importante aux niveaux L1-L2 Peau plus mince du côté convexe Pathomécanisme de la scoliose chez les DMD Distribution inégale des fibres musculaires de part et d’autre de la colonne EMG plus grand du côté convexe (Thouin JF, 2005)  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 Reduire texte

Discussion générale Imagerie par résonance magnétique Permet de recueillir de façon non invasive des informations anatomiques des muscles squelettiques 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 Épaisseur des couches de la peau

Anatomie personnalisée - bras

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

DMD Muscles atteints Pathomécanismes de la scoliose Ajouter l’érecteur du rachis aux niveaux L1-L2 Pathomécanismes de la scoliose Distribution inégale de l’infiltration de gras Pas de scoliose si la résultante est <5% IL est le plus inégalement infiltré

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

Conclusion générale Approche non-invasive pour mesurer certaines caractéristiques anatomiques du milieu conducteur 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 Anatomie personnalisée avec l’IRM Contribuer au plan de traitement (i.e. greffe du visage, prothèse myoélectrique) Pathomécanisme de la scoliose 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 Remplacer la segmentation manuelle par un algorithme automatique de délimitation des frontières entre les muscles Marqueurs pour faciliter la détection de l’épimysium Prédire le niveau vertébral auquel une courbure scoliotique pourra survenir chez les DMD Analogie avec des courbures PS et S existantes Étude avec une plus grande population Concevoir les études ultérieures de DMD de façon à avoir une retombée bénéfique soit immédiate ou à moyen terme pour leur santé i.e.: prédiction de la scoliose et moyen pour ralentir son avènement étude au niveau L2 visant à bloquer l’infiltration du gras chez des patients nouvellement diagnostiqués. Inclure l’IRM dans l’analyse de routine des déformations scoliotiques Prendre les images dans la région L1-L3 pour l’infiltration de gras

Remerciements 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 LIS3D-LMBCAO M. David Filion, étudiant à la maîtrise Toute l’équipe du LIS3D-LMBCAO Tout le personnel du Laboratoire de modélisation biomédical (IGB, UdeM) Mon épouse et toute la famille

Questions ? MERCI DE VOTRE ATTENTION