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Développement d'une base de données cartographiques et de modèles statistiques pour la caractérisation du cartilage articulaire

Sotcheadt Sim

Ph.D. thesis (2017)

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Osteoarthritis (OA) is the most common form of disease causing pain and disability in millions of people. Indeed, according to the United Nations, 130 people in the world will suffer from osteoarthritis, of which 40 million will be severely disabled as a result of the disease. Known as the most common type of arthritis, OA is characterized by the degeneration of the articular cartilage. The knee is one of the joints most commonly affected by OA. Unfortunately, OA in the knee is often diagnosed when severe cartilage lesions (up to the bone) are present. In late-stage OA, treatment options are limited. Nevertheless, since OA is a disease that develops over decades, it offers a wide range of time to alter its course. Thus, the detection of cartilage quality at a pre-osteoarthritic stage will allow to initiate effective treatments at an early stage of the disease. Therefore, there is still an urgent need to design a tool providing quantitative and reliable evaluation of cartilage integrity. For more than a decade, our research group has been interested in this issue. Over the years, our researchers have studied the electromechanical properties of articular cartilage, called streaming potential. This phenomenon, which consists of electrical potentials generated by cartilage loading, led to the design of a medical device, the Arthro-BST. This device is an arthroscopic probe, with 37 microelectrodes lying on its semi-spherical indenter tip, making it possible to measure these streaming potentials. Numerous studies have shown that streaming potentials reflect the structure, function and composition of cartilage as well as being sensitive to cartilage degeneration. This technology makes it possible to accurately diagnose cartilage abnormalities and therefore, innovate the evaluation of this tissue. However, the Arthro-BST remains a tool for measuring compression-induced streaming potentials of cartilage. Thus, the general objective of this thesis is to transform the current device into a precise grading tool for cartilage quality. The first experimental study aimed at examining the correlation of the quantitative parameter (QP) of the Arthro-BST with conventional techniques of human cartilage assessment. Although several previous studies have demonstrated the correlation of streaming potentials with histological, biochemical or mechanical properties of cartilage in animal models, it was essential to study human tissues for clinical application. Non-destructive electromechanical measurements using the Arthro-BST were first performed on entire articular surfaces from human cadaveric knees. Osteochondral cores were harvested from these samples for histological, biochemical and mechanical assessments. The results of this study demonstrated that the electromechanical QP correlates strongly with the histological and mechanical properties of human cartilage while a low correlation with the content of proteoglycans and water was observed. The strong correlation between the electromechanical QP and the histological scores suggested that the streaming potentials accurately reflects the quality of the tissue and the integrity of the collagen network. Moreover, the strong correlation of the electromechanical properties with the mechanical properties demonstrated that the streaming potentials represent the functional properties of the cartilage. Subsequently, the second experimental study aimed to examine the capacity of the electromechanical device, as well as an automated indentation technique (developed by Biomomentum), to characterize entire human articular surfaces rapidly and non-destructively to distinguish between early degenerated and healthy articular cartilage. Effectively, we studied the ability of the electromechanical probe to accurately evaluate cartilage quality and the rapidity in which electromechanical data were obtained. To do this, the samples were mapped macroscopically, electromechanically, mechanically and by measuring cartilage thickness. Then, osteochondral cores were harvested from macroscopically healthy and degenerated areas for histological, biochemical and unconfined compression assessments. The macroscopic characterization allowed defining 3 distinct regions on each articular surface: region I was macroscopically degenerated, region II was macroscopically normal but adjacent to regions I and region III was the remaining normal articular surface. Each osteochondral core was assigned to one of the 3 regions and statistical analyses made it possible to reveal the sensitivity of each of these characterizations. The results demonstrated that only the electromechanical parameters obtained by the arthroscopic probe and the mechanical parameters obtained by the automated indentation technique allowed to distinguish early cartilage degeneration that appears visually normal but is adjacent to a defect. These techniques have not only shown superior sensitivity in regard to conventional techniques (histological or biochemical) but were also much faster. Thus, with these promising results, these two mapping techniques could be used in research such as cartilage repair studies where entire articular surfaces could be rapidly and non-destructively assessed or for clinical cartilage assessment using the electromechanical probe. Taken together, the encouraging results of these two experimental studies revealed the diagnostic potential of the Arthro-BST and motivated its further development into a grading tool for articular cartilage quality. First, it is important to mention that to be clinically useful, the current output of the device must be translated into a language easily implemented by surgeons. Among the existing macroscopic classification systems, the International Cartilage Repair Society (ICRS) grade was chosen. This grading system is based on cartilage lesion severity and is represented by a nominal scale of 0 to 4. Despite the subjectivity of this score, it is widely used by arthroscopists. Thus, it was agreed that the electromechanical QP would be converted into an electromechanical score analogous to the ICRS grade, which means being represented on a continuous scale ranging from 0 to 4. To do this, an electromechanical database of healthy cartilage was built to establish a baseline for the electromechanical QP. Following this, an examination of the electromechanical properties in function of cartilage degeneration (based on the ICRS score) was performed on 100 articular surfaces issued from patients undergoing total knee replacement surgeries. Statistical analysis on the effect of patient-specific and location-specific characteristics on the electromechanical QP was conducted. This analysis revealed that electromechanical properties were not affected by patient-specific characteristics within each ICRS grade, but were significantly different across the articular surface. Thus, it is crucial to consider the location-specific information during cartilage evaluation to provide an accurate diagnostic. The relationship between the electromechanical QP and the ICRS grade was established to construct a continuous and quantitative electromechanical score analogous to ICRS grade. Finally, the reliability of this novel score was assessed by comparing it with ICRS grade on a subset of human articular surfaces. The electromechanical score not only made it possible to distinguish cartilage lesions not detected macroscopically but also offered more accurate grading of the lesions. To conclude, this new grading functionality has been implemented in the Arthro-BST. Despite limitations such as the extended period of preservation of cadaveric articular surfaces and the inability to independently diagnose normal or much degenerated cartilage (cartilage thinning), this project revolutionizes the assessment of this tissue by being objective and quantitative. This tool is essential to prevent, improve treatment and evaluate accurately articular cartilage. In addition, an ongoing project and complementary to this one has the overall objective of making the grading algorithm completely autonomous by analyzing the raw signals of compression-induced streaming potentials of cartilage to differentiate visually normal and severely degraded cartilage due to cartilage thinning. Keywords: Articular cartilage, knee, streaming potential, electromechanics, diagnostic, human


L'arthrose est l'une des maladies causant le plus de douleur et d'invalidité auprès de millions de personnes. En effet, selon l'Organisation des Nations unies, 130 millions de personnes dans le monde souffriront d'arthrose, dont 40 millions seront sévèrement invalides suite à la maladie. Connue comme la forme la plus commune d'arthrite, elle est caractérisée par la détérioration du cartilage articulaire, dont l'articulation la plus touchée est le genou. Malheureusement, l'arthrose du genou est souvent diagnostiquée lorsque des lésions sévères du cartilage articulaire sont présentes. À ce stade avancé de la maladie, les possibilités de traitements sont limitées. Néanmoins, puisque l'arthrose est une maladie qui se développe au fil des décennies, elle offre une large plage de temps pour en altérer son cours. Ainsi, la détection de l'état du cartilage articulaire à un stade préarthrosique permettra un diagnostic précoce des lésions articulaires pour entamer des traitements efficaces à un stade peu avancé de la maladie. Par conséquent, il y a toujours un besoin urgent de concevoir un dispositif médical permettant l'évaluation précoce et fiable de l'intégrité du cartilage articulaire. Depuis plus d'une décennie, notre groupe de recherche s'est intéressé à cette problématique. Au fil des années, nos chercheurs ont étudié les propriétés électromécaniques du cartilage articulaire, nommés potentiels d'écoulement. Ce phénomène, qui consiste à des potentiels électriques générés suite au chargement du cartilage, a conduit à la conception d'un dispositif médical, l'Arthro-BST. Ce dispositif est une sonde arthroscopique munie d'un embout de 37 microélectrodes, permettant de mesurer ces potentiels d'écoulement. De nombreuses recherches ont démontré que les potentiels d'écoulement reflètent la structure, la fonction et la composition du cartilage ainsi que d'être sensible à la dégradation de ce dernier. Cette technique permet donc de diagnostiquer de façon précise les anomalies du cartilage et donc d'innover la caractérisation de ce tissu. Toutefois, l'Arthro-BST demeure un outil de mesure des potentiels d'écoulement générés lors de la compression du cartilage. L'objectif général de cette thèse est donc, de transformer le dispositif actuel en un outil précis de classification de la qualité du cartilage articulaire. Tout d'abord, la première étude expérimentale visait à examiner la corrélation du paramètre quantitatif (QP) de l'Arthro-BST avec des techniques conventionnelles de caractérisation du cartilage humain. Bien que plusieurs études antérieures aient démontré la corrélation des potentiels d'écoulement avec les propriétés histologiques, biochimiques ou mécaniques du cartilage provenant d'articulations animales, il était essentiel d'étudier des tissus humains pour permettre une application clinique. Des mesures électromécaniques non destructives, à l'aide de l'Arthro-BST, ont d'abord été effectuées sur des surfaces articulaires entières, provenant de genoux cadavériques humains. Ensuite, des biopsies ont été extraites de ces échantillons afin d'y effectuer des analyses histologiques, biochimiques et mécaniques. Les résultats de cette étude ont démontré que le paramètre électromécanique corrèle fortement avec les scores histologiques et propriétés mécaniques du cartilage humain alors qu'une faible corrélation avec le contenu en protéoglycanes et en eau du cartilage a été observée. La forte corrélation entre le paramètre électromécanique et les scores histologiques suggère que les potentiels d'écoulements reflètent exactement la qualité du tissu et l'intégrité du réseau de collagène. De plus, la forte corrélation des propriétés électromécaniques avec les propriétés mécaniques démontre que les potentiels d'écoulement représentent effectivement les propriétés fonctionnelles du cartilage. Par la suite, la seconde étude expérimentale visait à examiner la capacité du dispositif électromécanique, ainsi qu'une technique d'indentation automatisée (développée par la compagnie Biomomentum), à caractériser des surfaces articulaires humaines entières rapidement et d'une manière non destructive afin de détecter la dégénération précoce du cartilage. En effet, on a étudié la capacité du dispositif électromécanique à détecter efficacement l'état du cartilage ainsi que d'examiner sa rapidité à fournir les données électromécaniques. Pour ce faire, les échantillons ont été analysés de manière macroscopique, électromécanique, mécanique et en mesurant l'épaisseur du cartilage cartographiquement. Subséquemment, des biopsies ont été extraites de régions macroscopiquement saines et dégénérées à des fins histologiques, biochimiques et de compression non confinée. L'analyse macroscopique a permis de définir trois régions distinctes sur chaque surface articulaire : la région I était macroscopiquement dégénérée, la région II était macroscopiquement normale mais adjacente à la région I et la région III était le reste de la surface macroscopiquement normale. Chaque biopsie extraite a été assignée à une des trois régions et des analyses statistiques ont permis de révéler la sensibilité de chacune de ces caractérisations. Les résultats ont démontré que seuls les paramètres électromécaniques, obtenues par l'Arthro-BST, et mécaniques, obtenues par la technique d'indentation automatisée, permettaient de distinguer efficacement entre les régions II et III, soit d'identifier l'altération précoce du cartilage articulaire. Ces techniques ont montré non seulement une sensibilité supérieure aux techniques conventionnelles (histologiques ou biochimiques), mais elles étaient aussi bien plus rapides. Ainsi, grâce à ces résultats prometteurs, ces deux techniques cartographiques pourraient être utilisées pour des études expérimentales telles que des études sur la réparation du cartilage, où des surfaces articulaires entières peuvent être évaluées rapidement et de manière non destructive ou pour une utilisation clinique en utilisant la sonde électromécanique. Finalement, grâce aux résultats encourageants de ces deux premières études expérimentales, la transition du dispositif en un outil de classification de la qualité du cartilage articulaire était évidente. Tout d'abord, il est important de mentionner la volonté à traduire les propriétés électromécaniques obtenues par la sonde en un langage compréhensible par les orthopédistes. Parmi les systèmes de caractérisation macroscopique, le score de l'International Cartilage Repair Society (ICRS), nommé score ICRS, a été choisi. Ce score ICRS se fonde sur la profondeur des lésions du cartilage articulaire et est représenté par une échelle nominale de 0 à 4. Malgré la subjectivité de ce score, il est largement utilisé par les arthroscopistes. Ainsi, il a été convenu que le paramètre électromécanique sera converti en un score électromécanique analogue au score ICRS, soit représenté sur une échelle continue allant de 0 à 4. Pour ce faire, une base de données électromécaniques du cartilage sain a été développée afin d'établir une référence au paramètre électromécanique. Comme suite à cela, un examen approfondi des propriétés électromécaniques en fonction de la dégénération du cartilage (se fondant sur le score ICRS) a été fait sur 100 surfaces articulaires provenant de remplacement total de genoux. Ensuite, une analyse statistique de l'effet des caractéristiques propres au patient et de l'emplacement spécifique de la mesure sur les propriétés électromécaniques a été effectuée. Cette analyse a révélé que seul l'emplacement spécifique de la mesure a un effet sur les propriétés électromécaniques. Ainsi, il est critique de considérer cette information lors du développement du score électromécanique. Finalement, une vérification sur des surfaces articulaires, présentant des lésions à différents stades de dégénération, a montré que le score électromécanique permettait non seulement, de distinguer des lésions non détectables macroscopiquement, mais également de classifier plus précisément les lésions. Pour conclure, cette nouvelle fonctionnalité de classification a été implémentée dans l'Arthro-BST. En dépit des limitations, telles que la longue période de conservation des surfaces articulaires cadavériques et l'incapacité à diagnostiquer de manière autonome du cartilage normal ou très dégénéré (amincissement du cartilage), ce projet permet de révolutionner la caractérisation du cartilage articulaire d'une manière objective et quantitative. Cet outil est essentiel pour prévenir, mieux traiter et caractériser efficacement le cartilage articulaire. De plus, un projet en cours et complémentaire à celui-ci a pour objectif général de rendre l'algorithme de classification complètement autonome en analysant les signaux bruts de potentiels d'écoulement du cartilage articulaire afin de différencier un cartilage visuellement normal ou anormalement mince. Mots-clés : Cartilage articulaire, genou, potentiel d'écoulement, électromécanique, diagnostic, humain

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Michael D. Buschmann and Éric Quenneville
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2520/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 01 Aug 2017 11:19
Last Modified: 29 Apr 2023 06:11
Cite in APA 7: Sim, S. (2017). Développement d'une base de données cartographiques et de modèles statistiques pour la caractérisation du cartilage articulaire [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2520/


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