<  Back to the Polytechnique Montréal portal

L'électroarthrographie : problèmes direct et inverse

Qingyi Han

Ph.D. thesis (2015)

Open Access document in PolyPublie
[img]
Preview
Open Access to the full text of this document
Terms of Use: All rights reserved
Download (9MB)
Show abstract
Hide abstract

Abstract

Electroarthrography (EAG) is a new technique for measuring electrical potentials appearingon the surface of a diarthrodial joint during the mechanical loading of this joint. A clinicalstudy has recently shown that EAG signals recorded on the surface of the knee originate fromarticular cartilage and that a decrease of their amplitude reflects cartilage degradation inpatients with osteoarthritis. The underlying mechanism is associated with the movement ofelectric 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 surfaceof the cartilage and that are called “streaming potentials”. The electromechanical propertiesof the cartilage have been investigated with in vitro studies that have also shown that theamplitude of the streaming potentials reflects cartilage health. These results suggest thatelectroarthrography could be used as a new diagnostic technique for osteoarthritis. Thistechnique has several advantages such as low cost, simplicity of use, comfort for patientsand the possibility of early detection of osteoarthritis. However, this technique is still in itsinfancy 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 potentialsfrom the cartilage to the surface of the knee has not been modeled before. Modeling EAGsignals could thus provide a better understanding of the nature of EAG signals and contributeto the establishment of analytical and interpretive criteria. Our study is divided intotwo parts: the forward problem and the inverse problem.The forward problem establishes the link between the electrical behavior of cartilage andthe potential distribution on the surface of the knee. The knee is represented as a volumeconductor 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 currentdensity imposed in the different sections of articular cartilage underneath the two condyles.

Résumé

L'électroarthrographie (EAG) est une nouvelle technique de mesure des potentiels électriquesapparaissant sur la surface d'une articulation diarthrodiale durant la mise en chargede cette articulation. Une étude clinique a récemment démontré que les signaux EAG enregistréssur la surface du genou proviennent du cartilage articulaire et que la diminutionde 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 phaseliquide du cartilage lorsqu'il est soumis à une force de compression. Ce phénomène produitdes potentiels électriques que l'on peut mesurer directement sur la surface du cartilageet qui sont nommés « potentiels d'écoulement ». Les propriétés électromécaniques du cartilageont déjà fait l'objet d'études in vitro qui ont également révélé que l'amplitude despotentiels d'écoulement reflète l'état de santé du cartilage. Ces résultats suggèrent ainsi quel'électroarthrographie pourrait constituer une nouvelle technique de diagnostic de l'arthrose.Cette technique offrirait plusieurs avantages, comme le faible coût de l'instrumentation, lasimplicité de son opération par les utilisateurs, le confort pour les patients, la possibilitéde détection précoce de l'arthrose. Toutefois, cette technique n'en est qu'à ses débuts etplusieurs questions restent à résoudre.Notre démarche a pour but de contribuer au développement de l'électroarthrographie àl'aide de simulations numériques. La modélisation des phénomènes bioélectriques est bienétablie pour l'électrocardiographie, l'électroencéphalographie et l'électromyographie, mais latransmission des potentiels d'écoulement depuis le cartilage jusqu'à la surface du genou n'apas été modélisée jusqu'à présent. La modélisation des signaux EAG pourrait ainsi permettreune meilleure compréhension de la nature de ces signaux et contribuer à l'établissement decritères d'analyse et d'interprétation. Notre étude se divise en deux parties : le problèmedirect et le problème inverse.Le problème direct permet d'établir le lien entre le comportement électrique du cartilageet la distribution de potentiel sur la surface du genou. Le genou est représenté comme unvolume conducteur composé de différentes régions caractérisées par des conductivités électriquesspécifiques (os, muscle, gras, cartilage).
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Pierre Savard, Michael D. Buschmann
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1719/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 24 Sep 2015 15:48
Last Modified: 09 Nov 2022 19:45
Cite in APA 7: Han, Q. (2015). L'électroarthrographie : problèmes direct et inverse [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1719/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only

View Item View Item