Élastographie ultrasonore et localisation des zones de tension dans les muscles du bras

Au cours des deux dernières décennies, on a mis en évidence, soit par des études anatomiques ou physiologiques, la présence de compartiments fonctionnels regroupant des fibres musculaires à l'intérieur d'un muscle donné. On pense qu'une telle organisation neuromusculaire, qui se retrouve tant chez l'animal que chez l'homme, servirait à assurer un contrôle plus fin et précis d'une articulation et à optimiser la force qu'elle peut exercer. Il serait intéressant de pouvoir cartographier anatomiquement ces compartiments chez un sujet, d'une part pour mieux saisir la complexité des mécanismes de production des mouvements humains et d'autre part pour pouvoir appliquer cette connaissance à l'interprétation des signaux électromyographiques associés. Dans la mesure où il serait possible d'activer volontairement chacun de ces compartiments, une personne ayant subi une amputation plus ou moins sévère du bras pourrait alors parvenir à apprendre à contrôler plus finement une prothèse commandée par les signaux de ses muscles. Pour tenter de localiser les compartiments du biceps et du triceps brachii mis sous tension lors de diverses contractions, on a utilisé l'élastographie ultrasonore, une méthode d'imagerie non invasive qui permet de caractériser les propriétés mécaniques des tissus mous, en particulier leur rigidité. Pour les muscles, il a été démontré que plus le niveau de contraction est élevé, plus le muscle est rigide, plus les images d'élastographie diffèrent de celles obtenues au repos. En élastographie, on perturbe mécaniquement le milieu à analyser, et on analyse les différences entre les images avant et après cette perturbation. Les méthodes de calcul pour estimer les différences entre les signaux pré- et post-perturbation qui sont utilisées ici sont principalement le flux optique et l'intercorrélation. Les calculs sont d'abord validés sur des images de synthèse, puis sur des images ultrasonores acquises sur des fantômes et enfin sur des images acquises sur un biceps humain en contraction. Ce travail constitue une première étape d'une démarche qui, à plus long terme, vise à mieux contrôler une prothèse myoélectrique du membre supérieur dotée de plusieurs degrés de liberté.

Abstract

During the last two decades, scientific evidence, either through anatomical or physiological studies, have been indicating the presence of muscular fiber functional compartments inside large skeletal muscles. It is believed that such a neuromuscular organization which is present in animals as well as humans could help develop a greater and more precise control over a joint and improve the strength it can exert. It would be interesting to anatomically map these compartments in human subjects because it might provide a tool that will allow us to understand the complex mechanisms which are involved in human movements, and this knowledge could be applied to the interpretation of the myoelectrographic signals associated with the activity of the compartments. If it were possible to voluntarily and independently activate those compartments, a person living with an amputated arm could learn to have a better control over a prosthetic arm driven by the user's muscle electrical signals. To localize biceps and triceps compartmental activity under various tension levels, we propose to use ultrasound elastography which allows the characterization of soft tissue mechanical properties including the level of rigidity. It has been demonstrated that the activity level in muscles is associated with their rigidity. The higher the level of contraction is, the harder the muscle is and the more the elastographic images will differ front the ones obtained during rest periods. In elastography, a mechanical perturbation is applied on the medium, and then, the images before and after the perturbation are analysed. To estimate the differences between the pre- and post-perturbation signals, the methods that will be used here are intercorrelation and optical flow. The first estimations will be made on synthetic images which will allow for a quality evaluation of the estimates. Then, ultrasound images made on phantoms and on a human biceps will be used. This work is a step towards developing methods that would give a better control of a myolectric prosthesis with multiple degrees of freedom.