Measurement of Load-Induced Electrical Potentials at the Surface of the Knee

L'arthrose (OA), la maladie chronique la plus répandue chez les personnes âgées, est l'une des principales causes d'invalidité dans notre société avec une incidence qui s'accroit dans le monde entier. L'arthrose résulte de la détérioration ou de la perte du cartilage articulaire qui agit comme un coussin de protection entre les os. Comme l'incidence de l'arthrose est en progression constante, il y a un besoin urgent de techniques d'évaluation non invasives pouvant être efficaces avant le début de la dégradation irréversible du cartilage. Les techniques actuelles d'évaluation comprennent l'évaluation clinique, l'arthroscopie et les modalités d'imagerie telles que les rayons X, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par ordinateur (CT). Bien que ces techniques soient couramment utilisées pour le diagnostic de l'arthrose en évaluant la formation d'ostéophytes, le pincement articulaire et les lésions osseuses, aucune d'elles ne peut détecter les changements précoces dus à l'arthrose du genou. La nécessité d'une évaluation précoce et précise de l'intégrité du cartilage a incité de nombreux chercheurs à explorer une variété de techniques. Par exemple, la transduction électromécanique du cartilage, connu sous le nom de « potentiels d'écoulement », est un indice sensible de l'intégrité du cartilage articulaire qui a été validé par de nombreuses expériences in vitro. Le mécanisme sous-jacent est associé à la séparation des charges négatives fixes et des contre-ions mobiles dans la phase liquide du cartilage durant sa compression. Un instrument arthroscopique (Arthro-BST) a ainsi été conçu pour mesurer les potentiels d'écoulement directement sur la surface du cartilage articulaire comprimé pour en évaluer la qualité lors d'une intervention chirurgicale. Une approche similaire, mais non invasive, a ensuite été développée pour mesurer les potentiels apparaissant à la surface du genou pendant son chargement et reflétant les potentiels d'écoulement sous-jacents. Cette technique est appelée électroarthrographie (EAG). La mise en charge du cartilage consiste simplement, pour un sujet debout, à déplacer son poids sur la jambe instrumentée. Même si les premières mesures de l'EAG étaient reproductibles, une certaine variabilité des signaux EAG enregistrés chez le même sujet a été observée, ce qui peut entraver son application comme outil de diagnostic de l'arthrose. Le but de notre étude était donc d'étudier la nature de la variabilité des signaux EAG afin de contribuer à l'élaboration de meilleures techniques de mesure.

Abstract

Osteoarthritis (OA), the most prevalent chronic progressive disease of the elderly, is one of the leading causes of disability in our society with increasing incidence throughout the world. OA results from the deterioration or loss of articular cartilage acting as protective cushion between the bones. As the incidence of OA is on a continuous increase, there is an urgent need for noninvasive assessment techniques that can be effective before the onset of irreversible degradation. Current technologies to assess the joint function include clinical evaluation, arthroscopy and imaging techniques such as X-ray, magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT). Although these techniques are widely used to assist the diagnosis of OA by evaluating osteophyte formation, joint space narrowing and bone damage, none of them can show osteoarthritic changes of the knee until the later OA stages. The need for an early and accurate evaluation of the integrity of cartilage has prompted many investigators to explore a variety of techniques. For example, the electromechanical transduction of cartilage, known as streaming potentials, is a sensitive index of the integrity of articular cartilage that has been validated by many in-vitro experiments. The underlying mechanism is associated with the separation of fixed negative charges and mobile counterions in the liquid phase of the cartilage under compression. A hand-held arthroscopic instrument (Arthro-BST) has thus been designed to measure the electrical potentials directly over compressed articular cartilage to assess its quality. A non-invasive approach, electroarthrography (EAG) was later developed to measure the electrical potentials appearing on the surface of knee during loading and reflecting the underlying streaming potentials. Mechanical loading simply consisted of shifting the body weight of the erect subject to the instrumented leg. Even though the first EAG measurements were repeatable, variability in the EAG signals recorded in the same subject was observed, which can hamper its application as a diagnostic tool for OA. The aim of our study was thus to investigate the nature of the variability of the EAG signals and to contribute to the development of better measurement techniques. The first objective of this study was to investigate how the contraction of certain leg muscles in supine subjects affects the contact force of the knee joint and, in turn, the EAG values. Voluntary isometric muscle contractions were repeatedly conducted to selectively activate four leg muscle groups while six subjects were lying on their back. Two EAG signals were recorded on both