L'électroarthrographie : problèmes direct et inverse

L'électroarthrographie (EAG) est une nouvelle technique de mesure des potentiels électriques apparaissant sur la surface d'une articulation diarthrodiale durant la mise en charge de cette articulation. Une étude clinique a récemment démontré que les signaux EAG enregistrés sur la surface du genou proviennent du cartilage articulaire et que la diminution de leur amplitude reflète la dégradation du cartilage chez les patients souffrant d'arthrose. Le mécanisme sous-jacent est associé au déplacement des charges électriques dans la phase liquide du cartilage lorsqu'il est soumis à une force de compression. Ce phénomène produit des potentiels électriques que l'on peut mesurer directement sur la surface du cartilage et qui sont nommés « potentiels d'écoulement ». Les propriétés électromécaniques du cartilage ont déjà fait l'objet d'études in vitro qui ont également révélé que l'amplitude des potentiels d'écoulement reflète l'état de santé du cartilage. Ces résultats suggèrent ainsi que l'électroarthrographie pourrait constituer une nouvelle technique de diagnostic de l'arthrose. Cette technique offrirait plusieurs avantages, comme le faible coût de l'instrumentation, la simplicité de son opération par les utilisateurs, le confort pour les patients, la possibilité de détection précoce de l'arthrose. Toutefois, cette technique n'en est qu'à ses débuts et plusieurs questions restent à résoudre. Notre démarche a pour but de contribuer au développement de l'électroarthrographie à l'aide de simulations numériques. La modélisation des phénomènes bioélectriques est bien établie pour l'électrocardiographie, l'électroencéphalographie et l'électromyographie, mais la transmission des potentiels d'écoulement depuis le cartilage jusqu'à la surface du genou n'a pas été modélisée jusqu'à présent. La modélisation des signaux EAG pourrait ainsi permettre une meilleure compréhension de la nature de ces signaux et contribuer à l'établissement de critères d'analyse et d'interprétation. Notre étude se divise en deux parties : le problème direct et le problème inverse. Le problème direct permet d'établir le lien entre le comportement électrique du cartilage et la distribution de potentiel sur la surface du genou. Le genou est représenté comme un volume conducteur composé de différentes régions caractérisées par des conductivités électriques spécifiques (os, muscle, gras, cartilage).

Abstract

Electroarthrography (EAG) is a new technique for measuring electrical potentials appearing on the surface of a diarthrodial joint during the mechanical loading of this joint. A clinical study has recently shown that EAG signals recorded on the surface of the knee originate from articular cartilage and that a decrease of their amplitude reflects cartilage degradation in patients with osteoarthritis. The underlying mechanism is associated with the movement of electric charges in the liquid phase of the cartilage when subjected to a compressive force. This phenomenon produces electrical potentials that can be measured directly on the surface of the cartilage and that are called “streaming potentials”. The electromechanical properties of the cartilage have been investigated with in vitro studies that have also shown that the amplitude of the streaming potentials reflects cartilage health. These results suggest that electroarthrography could be used as a new diagnostic technique for osteoarthritis. This technique has several advantages such as low cost, simplicity of use, comfort for patients and the possibility of early detection of osteoarthritis. However, this technique is still in its infancy and many questions remain. Our goal is to contribute to the development of electroarthrography using numerical simulations. The modeling of bioelectric phenomena is well established for electrocardiography, electroencephalography and electromyography, but the transmission of streaming potentials from the cartilage to the surface of the knee has not been modeled before. Modeling EAG signals could thus provide a better understanding of the nature of EAG signals and contribute to the establishment of analytical and interpretive criteria. Our study is divided into two parts: the forward problem and the inverse problem. The forward problem establishes the link between the electrical behavior of cartilage and the potential distribution on the surface of the knee. The knee is represented as a volume conductor composed of different regions with specific electrical conductivities (bone, muscle, fat, cartilage). In these models, the source of the EAG signals is represented by a current density imposed in the different sections of articular cartilage underneath the two condyles.