Architecture 3D et élasticité des muscles de la coiffe des rotateurs par imagerie de tenseur de diffusion et élastographie par résonance magnétique

Abstract

Introduction : Les déchirure de la coiffe des rotateurs sont l’atteinte de l'épaule la plus courante pour laquelle les patients ont besoin d'un traitement. La prévalence des déchirures des tendons de la coiffe des rotateurs augmente avec l'âge, touchant 25% des personnes de 60 ans et plus de 50% des personnes de 80 ans. La réparation chirurgicale des tendons de la coiffe des rotateurs réduit les coûts sociétaux et améliore la qualité de vie des patients. La rétraction, l’atrophie, l’infiltration graisseuse et la fibrose du muscle influencent les résultats des réparations de la coiffe des rotateurs. L'atrophie musculaire et l'infiltration graisseuse entraînent une perte de force de l'épaule et peuvent être évaluées quantitativement par imagerie par résonance magnétique (IRM). La rétraction musculaire et la fibrose contribuent à la raideur musculaire et à la diminution de l'élasticité de la jonction myotendineuse impactant la capacité du chirurgien à rattacher les tendons à l'os et compromet la qualité de la réparation chirurgicale en augmentant le risque de déchirure. Par conséquent, la quantification de la viscoélasticité des muscles de la coiffe des rotateurs pourrait fournir des informations pertinentes pour la prise de décision clinique et la planification préchirurgicale. L’imagerie par tenseur de diffusion (DTI) et l’élastographie par résonance magnétique (ERM) permettent de déterminer des biomarqueurs en imagerie par résonance magnétique (IRM) qui se basent sur l’orientation et l’élasticité des fibres musculaires. Cependant, il n’est pas possible, présentement, de quantifier de manière fiable le niveau de fibrose au sein des muscles. Quelques études préliminaires ont démontré que les propriétés viscoélastiques des muscles peuvent être quantifiées, mais sans tenir compte systématiquement de l’anisotropie musculaire qui influence les résultats d’élastographie. Pour mettre au point la technique d’imagerie, des spécimens cadavériques, préservés par les techniques Thiel, sels saturés ou formaldéhyde, qui sont couramment utilisés pour l’optimisation des séquences IRM seront utilisés avant l’application chez des volontaires. Nous faisons l'hypothèse que l’imagerie par tenseur de diffusion et la tractographie sont réalisables et répétables chez tous les volontaires asymptomatiques dans les muscles du supra-épineux et infra-épineux.

Méthode : Cette étude s’est déroulée entre janvier 2019 et mars 2020 au Centre de recherche du CHUM. Six épaules de trois spécimens cadavériques ont été obtenues de l'Université de Trois-Rivières. Chaque paire d’épaules était conservée dans trois techniques d'embaumement différentes telles l’embaumement classique au formol, les sels saturés et le Thiel. L'âge au décès variait de 58 à 75 ans (médiane = 66). Ces épaules cadavériques ont été utilisées pour la mise au point du protocole de la séquence d’imagerie avant leur utilisation chez les volontaires. Par la suite, six volontaires asymptomatiques (médiane = 41 ans, intervalle interquartile = 13 ans) ont été imagés au niveau de l’épaule gauche ou droite. La séquence DTI a été acquise sur un système Siemens Skyra 3T avec les paramètres : TE/TR = 57 ms / 5800 ms, 12 directions de diffusion, 500 s/mm2 et 800 s/mm2 de valeur b, 3x3x3 mm3 de taille de voxel. Les séquences d’imagerie ont été répété trois fois pour chaque volontaire. L'ERM a été appariée à la diffusion acquise par la taille des voxels et l’orientation à une fréquence de 100 Hz, TE/TR = 40 ms / 3300 ms, 3x3 mm3 pour la taille du voxel. Un seuil de ratio signal bruit de 3:1 a été utilisé pour évaluer la faisabilité de la tractographie. Une analyse de variance à un facteur (ANOVA), des tests t d'échantillons appariés entre les volontaires asymptomatiques, le coefficient de variance (CV) et l'analyse de Bland-Altman ont été utilisés pour évaluer la répétabilité de l'anisotropie fractionnelle (FA) et la diffusivité moyenne (MD) chez les volontaires.

Résultats : La diffusivité moyenne pour l'ensemble des tests des volontaires était de 1,553 ± 0,128 mm²/s dans le supra-épineux et de 1,762 ± 0,203 mm²/s dans l'infra-épineux. Pour le FA, il était de 0,438 ± 0,089 dans le supra-épineux et de 0,461 ± 0,098 dans l'infra-épineux. Les tests t chez les volontaires montrent une différence significative (p < 0,05) au niveau du FA et du MD entre le supra-épineux et l'infra-épineux. Une bonne répétabilité chez les volontaires (coefficient de variance < 10 %) du MD et du FA est obtenue dans le supra-épineux et l’infra-épineux. Les valeurs du cisaillement à l’ERM chez les volontaires asymptomatiques se situait entre 0,5 et 1,0 kPa. À l'exception de valeurs plus élevées à la limite du tissu et au point d'attache du muscle, les valeurs de rigidité isotrope transversale reconstruites sont uniformes. Les techniques d’embaumement détruisent l’architecture musculaire telle que démontré par les images de tractographie et sont inutilisables pour l'ERM.

Conclusion : Les paramètres DTI de l’infra-épineux et du supra-épineux sont fiables et répétables chez des volontaires asymptomatiques. Les techniques d'embaumement endommagent l'organisation des tissus et ne peuvent être utilisées pour le DTI et la reconstruction de l'ERM.

Introduction: Rotator cuff tears are the most common shoulder condition for which patients need treatment. The prevalence of rotator cuff tendon tears increases with age, affecting 25% of people in their 60s and more than 50% of people in their 80s. Surgical repair of rotator cuff tendons reduces societal costs and improves quality of life. Shrinkage, atrophy, fatty infiltration and muscle fibrosis influence the results of rotator cuff repairs. Muscle atrophy and fatty infiltration lead to loss of shoulder strength and can be assessed quantitatively by magnetic resonance imaging. Muscle retraction and fibrosis contribute to muscle stiffness and decreased elasticity of the myotendinous junction impacting the surgeon's ability to reattach tendons to bone and compromises the quality of surgical repair by increasing the risk of tearing. Therefore, quantification of rotator cuff muscle viscoelasticity could provide relevant information for clinical decision-making and presurgical planning. Diffusion tensor imaging and magnetic resonance elastography are used to determine magnetic resonance imaging biomarkers based on the orientation and elasticity of muscle fibers. However, it is currently not possible to reliably quantify the level of fibrosis within muscles. Some preliminary studies have demonstrated that the viscoelastic properties of muscles can be quantified, but without systematically considering muscle anisotropy which influences elastography results. To develop the imaging protocole, cadaveric specimens, preserved by the Thiel technique, saturated salts or formaldehyde, which are commonly used for the optimization of IRM sequences will be used prior to application in volunteers. We hypothesize that diffusion tensor imaging and tractography are feasible and repeatable in all asymptomatic volunteers in the supraspinatus and infraspinatus muscles.

Methods: This study took place between January 2019 and March 2020 at the CHUM Research Center. Six shoulders from three cadaveric specimens were obtained from the University of Trois-Rivières. Each pair of shoulders was preserved in three different embalming techniques such as classic formol embalming, saturated salts and Thiel. The age at death ranged from 58 to 75 years (median = 66). These cadaveric shoulders were used for the development of the imaging sequence protocol before their use in volunteers. Subsequently, six asymptomatic volunteers (median = 41 years, interquartile range = 13 years) were imaged at the level of the left or right shoulder. The DTI sequence was acquired on a Siemens Skyra 3T system with the parameters: TE/TR = 57 ms / 5800 ms, 12 diffusion directions, 500 s/mm2 and 800 s/mm2 of b-value, 3x3x3 mm3 of voxel size. The imaging sequences were repeated three times for each volunteer. ERM was matched to acquired diffusion by voxel size and orientation at a frequency of 100 Hz, TE/TR = 40 ms/3300 ms, 3x3 mm3 for voxel size. A signal-to-noise ratio threshold of 3:1 was used to assess the feasibility of tractography. One-way analysis of variance (ANOVA), paired-sample t-tests between asymptomatic volunteers, coefficient of variance (CV), and Bland-Altman analysis were used to assess the repeatability of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) in volunteers.

Results: The average diffusivity for all the volunteers' tests was 1.553 ± 0.128 mm²/s in the supraspinatus and 1.762 ± 0.203 mm²/s in the infraspinatus. For FA, it was 0.438 ± 0.089 in the supraspinatus and 0.461 ± 0.098 in the infraspinatus. The t tests in the volunteers show a significant difference (p < 0.05) at the level of the FA and the MD between the supraspinatus and the infraspinatus. Good repeatability in volunteers (coefficient of variance < 10%) of MD and FA is obtained in the supraspinatus and infraspinatus. ERM shear values in asymptomatic volunteers ranged between 0.5 and 1.0 kPa. Except for an isolated higher value point at the tissue boundary and at the muscle attachment point, the reconstructed transverse isotropic stiffness values are uniform. Embalming techniques destroy muscle architecture as demonstrated by tractography images and are unusable for ERM.

Conclusion: Infraspinatus and supraspinatus DTI parameters are reliable and repeatable in asymptomatic volunteers. Embalming techniques damage tissue organization and cannot be used for DTI and ERM reconstruction.