Électroarthrographie : mesure et analyse des potentiels électriques à la surface du genou pour l'évaluation de l'arthrose

L'électroarthrographie (EAG) est une technique qui fut récemment découverte par un groupe de chercheurs de l'École Polytechnique de Montréal pour enregistrer et analyser les signaux électriques à la surface du genou qui sont produits par la compression du cartilage articulaire. Auparavant, il fut démontré que des potentiels électriques dits ‘d'écoulement' peuvent être mesurés directement sur le cartilage articulaire lors de mesures invasives, et que ces potentiels diminuent lorsqu'il y a une dégradation du cartilage produite par une réduction de la concentration de glycosaminoglycanes ou lorsque le collagène perd de son intégrité. L'électroarthrographie constitue alors une méthode non-invasive de mesure des potentiels d'écoulement qui reflètent l'état de santé du cartilage articulaire. Le premier objectif de ce mémoire était de concevoir un protocole de prise de mesures EAG répétable et adapté à des populations gériatriques. Pour ce faire, nous avons fait des études de cas selon plusieurs protocoles différents. Pour le protocole qui a été retenu, la mise en charge du cartilage articulaire se fait par un simple transfert de poids d'une jambe à l'autre, alors que le sujet se tient debout. Ce transfert de poids est répété durant deux minutes pour permettre de réduire le niveau de bruit en calculant des valeurs EAG moyennes. Les potentiels électriques sont mesurés à l'aide d'électrodes collées sur la surface du genou en utilisant un système d'enregistrement sans fil comprenant huit canaux en courant continu. Pour traiter les signaux mesurés, un programme avec une interface graphique fut mis au point pour filtrer les signaux, corriger la dérive de la ligne de base et moyenner les multiples épisodes de mise en charge. La répétabilité des potentiels moyennés pour chacune des électrodes fut évaluée par une procédure de test-retest pour 14 sujets. Il s'est avéré que quatre sites de mesure, situés surtout au niveau de la ligne d'articulation, ont montré des coefficients de corrélation intra-classe statistiquement significatifs. Le deuxième objectif était de déterminer la provenance des signaux et d'évaluer la sensibilité de l'EAG à la dégradation du cartilage. Pour ce faire, nous avons comparé deux populations; un groupe Contrôle, avec des genoux sains, et un groupe dont un des genoux était diagnostiqué arthrosique, tandis que le genou controlatéral portait une prothèse totale du genou. Chaque groupe comprenait vingt sujets. Dans le groupe Contrôle, l'amplitude moyenne des signaux EAG était statistiquement plus élevée du côté médial que du côté latéral, ce qui reflète des forces au niveau de l'articulation qui sont reconnues être plus élevées du côté médial que du

Abstract

Electroarthrography (EAG) is a technique that was recently discovered by a group of researchers from the Ecole Polytechnique de Montreal, to record and analyze the electrical signals on the surface of the knee that are produced by the compression of articular cartilage. Previously, it has been shown that electrical potentials called 'streaming potentials' can be measured directly on the surface of the articular cartilage and that cartilage degradation, produced by a reduction in the concentration of glycosaminoglycans or collagen content, can decrease the amplitude of the streaming potentials. Eectroarthrography is therefore a non-invasive method for measuring electrical potential that reflect streaming potentials and the status of articular cartilage. The first objective of this project was to design a protocol that can provide repeatable EAG measurements and that is suitable for geriatric populations. To do this, we performed case studies using several different protocols. For our final protocol, the loading of articular cartilage is performed with a simple transfer of weight from one leg to another while the subject is standing. This weight transfer is repeated for two minutes to reduce the noise level by calculating average EAG values. Electrical potentials are measured with electrodes placed on the surface of the knee using a wireless recording system with eight channels. To process the measured signals, a program with a graphic user interface was developed to filter the signals, correct the baseline drift and average the multiple loading episodes. The repeatability of the averaged EAG for each of the electrodes was evaluated by a test-retest procedure for 14 subjects. We found that four measurement sites, mostly located over the joint line, showed statistically significant intraclass correlation coefficients. The second objective was to determine the origin of the EAG signals and to evaluate the sensitivity of the EAG for the detection of cartilage degradation. We thus compared two populations: a control group with healthy knees and a group of patients with osteoarthritis diagnosed for one knee, while the contralateral knee had a total knee replacement. Each group consisted of twenty subjects. In the control group, the mean amplitude of the EAG signal was statistically higher for the medial side than for the lateral side, reflecting joint forces that are known to be higher in the medial side than on the lateral side. For EAG signals recorded over the total knee replacement, their mean amplitude was statistically zero, reflecting the absence of cartilage. For signals collected over the arthritic knees, their mean amplitude was statistically