Vers la quantification de la contribution des structures : détermination de la géométrie personnalisée

forces de contact, à l’origine de la dégradation des surfaces articulaires, et (3) les ligaments, essentiels à la stabilité des articulations, reste mal comprise. Plusieurs modèles ont été proposés pour définir les efforts musculaires, ligamentaires et de contact. Une description de ces modèles est fournie dans la dissertation doctorale en Annexe 1. La plupart de ces modèles se basent sur des modèles génériques, mis à l’échelle à l’aide de quelques paramètres. Plusieurs auteurs (Blemker et coll. 2007) ; (Arnold et coll. 2000; Zajac et coll. 2003) soulignent l’importance de la détermination de la géométrie musculaire personnalisée pour déterminer les volumes musculaires, les aires physiologiques et les bras de levier des muscles avec plus de précision et améliorer ainsi les modèles. Comme le note Zajac, de tels modèles commencent à voir le jour en utilisant l’imagerie médicale mais sont gourmands en temps de calcul et l’incorporation de données dans ces modèles personnalisés n’est pas évidente.

Outre l’amélioration des modèles, la géométrie musculaire présente en elle-même un intérêt clinique certain. La section suivante présente les méthodes proposées dans la littérature pour déterminer cette géométrie et illustre son intérêt clinique.

II.3.1 Intérêt clinique de la géométrie musculaire

Grâce au développement de l’imagerie médicale, la géométrie musculaire devient accessible au clinicien. De nombreuses études s’intéressent à mettre en relation les capacités fonctionnelles, la cinématique, ou la cinétique avec le volume musculaire (souvent les quadriceps) chez les patients ayant subi une reconstruction du ligament croisé antérieur (Arangio et coll. 1997; Williams et coll. 2005; Williams et coll. 2005; Makihara et coll. 2006; Konishi et coll. 2007). Le Tableau 9 présente 3 études récentes s’intéressant à la relation entre les forces musculaires, le contrôle moteur et la morphologie musculaire chez les patients ayant bénéficié d’une reconstruction du LCA. Il en ressort que la connaissance de la morphologie des muscles est importante pour évaluer le succès de la reconstruction chirurgicale et mieux comprendre les troubles chez les patients dits »non copers », qui ne se sont pas fonctionnels suite à leur opération.

Lampe et coll. (Lampe et coll. 2006) évaluent le lien entre la spasticité et la perte de volume des muscles de patients hémiparégiques. Enfin, d’autres études se penchent sur l’évolution de la géométrie musculaire avec l’entraînement, qui reste controversée (Morse et coll. 2007).

Tableau 9: Études sur la morphologie, la force et le contrôle musculaire des sujets LCAD Volume musculaire Contrôle neuro- musculaire/Force musculaire CSA**, Volume

LCAD NC* : jambe blessée ↓ de 4 à 13% par rapport à

jambe saine.

ST jambe patho = 68% jambe saine

BF, SM côté sain ≈ patho. Raccourcissement du ST côté

patho (de 0 à 6cm).

MisoC côté blessé < côté sain et sujets sains.

MisoC/V côté patho < côté sain < contrôle

**CSA : aire physiologique ; CNM : contrôle neuro-musculaire (évalué par déplacement d'une cible); FisoM : Force isométrique maximale ; MisoC = Moment isocinétique maximal ; MisoM : moment isométrique maximal

Auteur

identification coupes IRM (Scion image)

CNM du VL et des gastrocnémiens inférieur pour

LCAD NC. Les C utilisent + leurs ischio que les sains.

C : copers, NC : non copers ; V : volulme ; JMT : jonction musculo-tendineuse ; muscles : ischio : ischiojambiers ; quad : quadriceps ; BF : biceps fémoral, SM : semi-membraneux, ST : semi-tendineux, VL : vaste latéral, GRA: gracile ; SAR : sartorius.

70 LCAD avec reconstruction LCA : 39 ♂, 31♀, 21 ans. 35 sujets contrôle (sains) : 25 ♂, 10♀, 21 ans Reconstructi on des muscles Evaluation force musculaire Muscles étudiés Sujets Konishi et coll., 2007 Vquad/Vischio

jambe ; CNM** VL jambe blessée C : ↑ de 8% / _{NC : ↓ de 13%. Pas de ≠} significative entre C et sains. en flexion : MisoC puis MisoM à ≠ angles. BF, ST, SM V, Localisation _{JMT, MisoC} 16 LCAD (3♂, 13♀, 23 ans) après reconstruction Makihara et coll., 2006 Résultats MisoC* en extension quad, ischio, adducteurs, GRA, SAR. MisoC/Volume quad

MisoC jambe saine 132%BW, patho 126%BW. Pas de différence de l'angle d'atteinte

du moment maximal. V quad patho : 1050 (±304)cm3 ; sain : 1125 (±324) cm3 ; sujets contrôle : 1439 (±280)cm3 Indices analysés ischio (ST, SM, BFL, GRA), quad, gastrocnémi ens identification manuelle coupes IRM 27 athlètes : 9 LCAD C* (36ans), 9LCAD NC* (21 ans) ; 9 sains, 21 ans. 7♂, 2♀ par groupe. Williams et coll., 2005 EMG, FisoM**

II.3.2 Mise en place de la géométrie musculaire

Dans sa thèse portant sur la « Modélisation biomécanique de la hanche dans le risque de fracture du fémur proximal » soutenue en août 2007, Jolivet (Jolivet 2007) propose une revue de bibliographie sur les méthodes de reconstruction de la section, du volume et de la géométrie 3D musculaire. Il en ressort que la plupart des études menées sur la reconstruction 3D des muscles (Cordier et coll. 1998; Asakawa et coll. 2004; Blemker et coll. 2005; Behr et coll. 2006) utilisent la détection manuelle des contours des muscles sur des coupes jointives. Une interpolation de type spline entre les différents contours permet d’obtenir la géométrie 3D des muscles. De par le grand nombre de coupes à traiter, ces techniques sont très coûteuses en temps.

Pour estimer le volume musculaire, le nombre de coupes peut être réduit en modélisant le muscle comme un cône tronqué. Ces méthodes fournissent le volume musculaire avec une précision acceptable (Nordez et coll.), mais ne permettent pas de connaître la géométrie 3D des muscles.

D’autres auteurs (Cordier et coll. 1998) proposent de déformer un muscle générique de manière à minimiser l’énergie de déformation et à le faire correspondre aux contours sur les

proche de l’objet à reconstruire. Enfin, Pomero et coll. (Pomero 2001) proposent d’obtenir la géométrie personnalisée de muscles du rachis en déformant un objet générique grâce à la connaissance des points d’insertion et de contours des muscles sur un nombre réduit de sections. Cependant, comme mentionné par Jolivet, il est délicat de contrôler la déformation d’un objet générique, dont la forme ne permet pas de définir différentes régions.

Jolivet propose une méthode innovante, que nous décrirons au chapitre 6, et sur laquelle nous nous appuierons pour modéliser les muscles impliqués dans le mouvement du genou.