Méthodologie générale
5. Échographie ultrarapide
Les études n°1, n°2, et n°3 s’appuyaient sur l’échographie ultrarapide (Aixplorer, Supersonic Imagine, Aix en Provence, France) afin d’observer le comportement des faisceaux musculaires des muscles gastrocnemius medialis (GM) et vastus lateralis (VL). La sonde échographique (5-12 MHz, SuperLinear 15-4, Vermon, Tours, France) avait un champ de vision de 5,5 cm, la profondeur d’image était modifiée en fonction du muscle. Il était possible d’enregistrer au maximum 1000 images. La fréquence d’échantillonnage était donc réglée spécifiquement en fonction du mouvement entre 500 Hz (i.e. 2 sec d’acquisition) et 1000 Hz (1 sec d’acquisition). Un porte-sonde fabriqué sur mesure était utilisé afin de fixer la sonde à la jambe du participant pour qu’elle ne se déplace pas tout au long du mouvement et du protocole. La sonde était systématiquement placée à la surface de la peau dans le même plan que les faisceaux musculaires afin de minimiser les erreurs de mesure en deux dimensions dues à des phénomènes en trois dimensions durant la contraction musculaire (e.g. Benard et al., 2009 ; Rana et al.,
2013 ; Randhawa & Wakeling, 2018). Du gel spécial ultrason (Aquasonic® 100, Parker, Fairfield, Etats-Unis) était appliqué entre la sonde et la peau pour exclure la présence d’air et obtenir une meilleure conduction des ondes au sein des tissus. Pour le GM, la sonde était placée sur la partie centrale du muscle en s’assurant qu’aucune veine n’apparaisse pendant la contraction et tout en respectant des inclinaisons et rotations optimales de la sonde afin d’aligner les images échographiques avec les faisceaux musculaires (Fig. 27A) (Bolsterlee et al., 2016).
Fig. 27 : A) A gauche : dessin schématique du gastrocnemius medialis et de la pose de la sonde (rectangle gris) avec l’image du plan correspondant (rectangle jaune). A droite : effet de la rotation et de l’inclinaison de la sonde échographique sur l’orientation du plan de l’image. Figure issue de Bolsterlee et al. (2016) ; B) A gauche : emplacement des sites échographiques utilisés pour comparer les alignements de sonde échographie sur le gastrocnemius medialis. A droite : relations entre la rotation et l’inclinaison de la sonde en fonction de la zone du gastrocnemius medialis et des sujets (lignes de couleurs). Le numéro en haut à droite des graphiques indique la rotation à appliquer à la sonde pour un alignement optimal à 0° d’inclinaison. Dans nos études, nous avons privilégié la partie centrale du muscle (sites 2 et 5). Figure issue de Bolsterlee et al. (2016) ; C) Sites échographiques des muscles du quadriceps à différentes distances entre le bord supérieur de la patella et l’épine iliaque antérosupérieure. Figure issue de Blazevich et al. (2006) ; D) Architecture du vastus lateralis en fonction de la position de la sonde à 22%, 39% et 56% de la figure C. Évolution de l’angle de pennation entre le faisceau musculaire (f) et l’aponévrose inférieure (a). Figure issue de Blazevich et al. (2006) ; E) Trajectoires des faisceaux musculaires du vastus lateralis et du vastus intermedius à partir d’un système à deux sondes. On peut distinguer la courbure des faisceaux (tirets blanc) et celle de l’aponévrose centrale (tirets rouge). Dans nos études, nous avons privilégié la partie centrale pour la pose de la sonde sur le vastus lateralis (Figure 27C [i.e. 39%]). Figure adaptée de Ando et al. (2017).
Un alignement quasi-optimal était permis en maintenant une inclinaison de la sonde à 0° et en appliquant une légère rotation de la sonde (Fig. 27B) (Bolsterlee et al., 2016). Pour le muscle
VL, la sonde était placée environ au milieu du muscle (Fig. 27C [i.e. 39%] et 27D [i.e. Middle]) afin d’éviter d’avoir la courbure des faisceaux du VL proche des insertions ainsi que la courbure de l’aponévrose profonde (Fig. 27E) (Blazevich et al., 2006).
La modalité d’image par ultrasons utilisée pour le suivi des faisceaux musculaires était le "B-mode" pour "Brightness "B-mode". Des ondes planes sont d’abord transmises au sein du tissu via les transducteurs de la sonde échographique. La sonde agit ensuite en tant que réceptrice pour recevoir les signaux qui se réfléchissent avant de les numériser en signaux de radiofréquence bruts. Enfin, les signaux de radiofréquence bruts sont convertis en images B-mode suivant une procédure classique de formation de faisceaux prenant en compte les décalages temporels d’émission réception pour évaluer les distances à partir d’une vitesse ultrasonore constante (beamforming). Les images B-mode permettent de distinguer les contrastes entre les tissus et ainsi différencier les tissus conjonctifs tendineux qui sont très échogènes étant donné leur teneur en collagène, des faisceaux musculaires qui le sont moins en raison de leur forte teneur en eau. L'échogénicité, c’est la capacité à faire rebondir un écho, i.e. renvoyer les ondes sonores. Lorsque l’échogénicité est élevée, la surface sur laquelle rebondit l’écho sonore reflète efficacement les ondes et apparaît en blanc sur les images B-mode. A l’inverse, les tissus à faible échogénicité apparaissent en noir ou en gris (pour une revue voir Lichtwark, 2017). Une fois les images B-mode exportées, un script de traitement développé pour le suivi semi-automatique des faisceaux et des aponévroses musculaires était utilisé (Cronin et al., 2011 ; Gillett et al., 2013). Un faisceau musculaire et les aponévroses superficielles et profondes étaient systématiquement identifiés sur la première image de l’acquisition échographique puis suivis automatiquement sur chaque image permettant d’obtenir la position à chaque instant du faisceau musculaire et in fine son déplacement. La longueur du faisceau musculaire correspond à la distance entre les deux points qui croisent les droites des aponévroses superficielles et profondes (Fig. 28A). L’angle formé à l’intersection entre le faisceau musculaire et l’aponévrose profonde correspond à l’angle de pennation. Lorsque le faisceau musculaire n’était pas totalement visible dans le champ de vision de la sonde, une extrapolation de sa longueur était faite à partir d’un calcul trigonométrique (Fig. 28B et 28A) (e.g. Finni et al., 2003 ; Hauraix et al., 2015 ; Werkhausen et al., 2017). Toutefois, cette nécessité d’extrapolation induit des erreurs d’estimation de la longueur des faisceaux musculaires ce qui peut affecter in fine l’interprétation des résultats (Finni et al., 2003 ; Brennan et al., 2017). Nous avons réalisé quelques tests pilotes à deux sondes sur le muscle du VL afin d’estimer la magnitude des erreurs
avec une seule sonde. Les résultats de ces tests sont présentés à la fin de ce chapitre (cf. Analyse pilote : une sonde versus deux sondes, p. 78).
Fig. 28 : A) Image échographique du gastrocnemius medialis avec un faisceau musculaire tracé en bleu entre les aponévroses superficielle
et profonde. La distance entre ces aponévroses représente l’épaisseur musculaire de la zone ; B) Image échographique du vastus lateralis avec un faisceau musculaire tracé en bleu entre les aponévroses superficielle et profonde. La partie visible est la ligne solide tandis que la partie extrapolée est la ligne en pointillé. L’intersection du faisceau musculaire avec l’aponévrose inférieure forme un angle a) appelé angle de pennation.
Avant calcul des variables, la longueur et l’angle de pennation des faisceaux musculaires étaient filtrés par un filtre passe-bas Butterworth du second ordre sans décalage temporel à une fréquence de coupure de 60 Hz pour l’étude n°1 et 30 Hz pour les études n°2 et n°3 en fonction de la vitesse de mouvement.
La longueur de du système muscle-tendon (SMT) des muscles GM et VL était obtenue à partir de deux modèles anthropométriques associée à l’angle de l’articulation du genou et de la cheville (Grieve et al., 1978 ; Visser et al., 1990) (Equations 1 & 2).
���= ������+ (� + � × �� + � × �� + � + � × ��+ � × ��) × �� (1) ��� = �� + (� + � × ��+ � × ��) × �� (2)
Où ������correspond à la longueur de référence du GM, définie comme la distance entre
l’épicondyle latéral du fémur et le centre de la malléole latérale lorsque les articulations du genou et de la cheville sont à un angle de 90°. �� correspond à la longueur de la jambe, définie comme la distance entre les centres de rotation des articulations du genou et de la cheville. ��
correspond à la longueur de la cuisse. �� et �� correspondent respectivement aux angles de la
cheville et du genou. Le tableau 2 présente les valeurs des coefficients � et � des modèles utilisés :
Tableau 3 : coefficients utilisés dans les calculs de longueur SMT du GM et du VL
Muscles � � � � � �
GM -22,18468 -0,30141 -0,00061 6,46251 -0,07987 0,00011
VL -0,50954 0,24677 -0,00082
La longueur des tissus tendineux (longueur du tendon d’Achille et longueur des aponévroses) était calculée à partir de l’estimation de la longueur de l’SMT, de la longueur du faisceau et de l’angle de pennation tel que :
��� = ����− ���������× ���� (3)
Où ���correspond à la longueur des tissus tendineux, ���� correspond à la longueur de l’unité muscle-tendon, ���������correspond à la longueur du faisceau musculaire et � correspond à l’angle de pennation. Une autre approche plus directe permet de distinguer le comportement du tendon d’Achilles de celui des autres éléments élastiques de la composante série (i.e. principalement les aponévroses) en suivant la position de la jonction myotendineuse (Lichtwark & Wilson, 2006). Cette approche a récemment mis en évidence des différences de comportement entres les éléments de la composante élastique série lors d’une descente de marche (Werkhausen et al., 2017). Dans l’ensemble de nos études, nous utiliserons le terme tissus tendineux pour faire référence à l’ensemble de la composante élastique série. A noter que ces deux approches permettent de rendre compte des déformations longitudinales des tissus tendineux mais pas des déformations transverses (Azizi et al., 2009).
Pour les trois études, les amplitudes de raccourcissement et d’allongement ainsi que les vitesses de déplacement des faisceaux musculaires, des SMT et des tissus tendineux du GM et du VL ont été systématiquement rapportées.