Anomalies ostéochondrales sur les scans IRM 3D à temps d’écho ultra-court associées à la dégradation du cartilage du genou

Contexte académique

L’arthrose (Osteoarthritis, OA) est la maladie musculosquelettique la plus courante, caractérisée principalement par la douleur et la dysfonction. Un marqueur de l’arthrose est la perte progressive du cartilage articulaire hyalin, qui est connecté à la plaque osseuse sous-chondrale (Subchondral Bone Plate, SBP) via une couche de cartilage calcifié (Calcified Cartilage Layer, CCL). Ces couches forment ensemble une unité ostéochondrale qui se transforme en os trabéculaire sous-chondral. Le cartilage articulaire est avasculaire et nourri par diffusion à partir du liquide synovial ou des vaisseaux sanguins dans l’os sous-chondral, ce qui rend la perméabilité du CCL cruciale pour la croissance cellulaire et la réparation tissulaire. Des études utilisant des modèles animaux et des échantillons de cartilage de patients atteints d’arthrose ont montré que les premiers stades de l’arthrose impliquent des altérations structurelles du CCL, commençant par la pénétration vasculaire dans les microfissures et les fissures le long de la jonction ostéochondrale (Osteochondral Junction, OCJ). Par conséquent, identifier les changements à cette jonction pourrait améliorer la compréhension générale de la structure physiopathologique de l’arthrose.

L’IRM est utile pour évaluer le cartilage articulaire. Cependant, le CCL a un temps de relaxation T2 court en raison de son eau liée et de ses structures de collagène denses qui limitent la mobilité des protons. Les séquences IRM conventionnelles ne peuvent pas capturer les signaux T2 courts du CCL, ce qui rend difficile la détection des changements pathologiques au sein du CCL et leur distinction par rapport à la faible intensité du signal de la SBP. L’IRM avec des séquences à temps d’écho ultra-court (Ultrashort Echo-Time, UTE) a été utilisée pour surmonter cette limitation. L’imagerie UTE des échantillons de cartilage-os patellaire a démontré que le CCL et la couche profonde du cartilage non calcifié présentent un signal élevé, distinct du faible signal de la SBP. Dans une autre étude impliquant des échantillons patellaires normaux in vivo de volontaires, l’OCJ normale a montré un signal élevé lisse et bien défini, représentant le cartilage profond non calcifié et le CCL. Cependant, l’OCJ dans les articulations du genou de cadavres et chez les patients atteints d’arthrose montre généralement un signal élevé mal défini dans le CCL. Par conséquent, il est cliniquement important d’étudier les changements dans le CCL et la SBP avec la dégradation du cartilage observée à l’IRM conventionnelle. Nous avons émis l’hypothèse qu’une IRM 3D UTE supplémentaire chez les patients souffrant de douleurs au genou pourrait montrer des anomalies dans le CCL ou la SBP dans les zones de dégradation du cartilage et d’anomalies de l’OCJ à l’IRM conventionnelle. L’objectif de cette étude était de comparer les anomalies du CCL et de la SBP, observées à l’IRM 3D UTE, avec la dégradation du cartilage et les anomalies de l’OCJ représentées à l’aide de la séquence IRM en écho de spin rapide avec suppression de graisse (Proton-Density Fast Spin-Echo with Fat Suppression, PDFS).

Méthodes

Sélection des participants et conception de l’étude

Cette étude prospective a été approuvée par le comité d’examen de l’hôpital universitaire d’Inha (protocole n° : 2018–04–007). Les images ont été analysées rétrospectivement. Un consentement éclairé a été obtenu de tous les participants. Entre avril 2018 et mars 2019, 226 participants ont subi une IRM du genou sans contraste. En raison de l’absence d’études antérieures, l’estimation de la taille de l’échantillon n’était pas possible. Par conséquent, tous les participants ayant subi une IRM du genou pendant la période d’étude ont été inclus. Les critères d’inclusion et d’exclusion sont détaillés dans la figure 2. Après l’IRM, les participants ont été exclus si leurs scans présentaient des artefacts métalliques ou de mouvement, s’ils avaient une fracture d’insuffisance ou s’ils avaient des antécédents de chirurgie du cartilage ou d’ostéonécrose. Les participants avec une imagerie bilatérale du genou ont été inclus de manière aléatoire dans l’étude d’un seul côté. Parmi les scans IRM des participants éligibles, 14 scans ont été sélectionnés pour l’étude de faisabilité et 40 scans ont été utilisés comme ensembles d’entraînement. Les scans IRM pour l’étude de faisabilité ont été inclus dans l’analyse formelle des images, tandis que les scans de l’ensemble d’entraînement ont été exclus. Voir l’annexe S1 pour le protocole IRM.

Données démographiques

Un radiologue musculosquelettique senior (H.Y.L., avec 15 ans d’expérience) a corrélé les données des rapports radiologiques avec les dossiers médicaux. Un résident en radiologie (Sunmin Lee, avec 2 ans d’expérience) a documenté l’âge, le sexe et les anomalies de l’articulation du genou à l’IRM, comme indiqué dans le rapport radiologique.

Analyse d’images

Les lésions avec dégradation du cartilage ont été localisées avec des flèches dans l’image en se référant au rapport radiologique, et leurs emplacements ont été documentés par le radiologue senior (H.Y.L.). Les sous-régions inadaptées à l’analyse d’images dans la recherche préparatoire (annexe S1) ont été exclues. Les lésions multiples ont été étiquetées et énumérées. Si une lésion affectait plus d’une sous-région adjacente, elle a été analysée et enregistrée séparément pour chaque sous-région. Toutes les lésions marquées sur les scans IRM PDFS ont été copiées et affichées dans le même plan d’image sur les scans IRM 3D UTE. Deux radiologues musculosquelettiques (Y.J.K., avec 13 ans d’expérience ; Seunghun Lee, avec 14 ans d’expérience) ont indépendamment analysé trois scans IRM PDFS contigus entourant chaque lésion cartilagineuse marquée, tout en étant aveugles aux autres séquences et aux informations sur les participants. Ils ont classé la dégradation du cartilage en utilisant la classification modifiée de Noyes (tableau S3). De plus, les anomalies de l’OCJ ont été évaluées, y compris les lésions de type œdème de la moelle osseuse sous-chondrale, les kystes sous-chondraux et les ostéophytes centraux. Les lésions de type œdème de la moelle osseuse sont caractérisées par une augmentation mal définie de l’intensité du signal dans la moelle osseuse sous-chondrale. Les kystes sous-chondraux sont des régions sous-chondrales bien circonscrites qui présentent des signaux de fluide. Les ostéophytes centraux sont identifiés comme des excroissances osseuses s’étendant de la SBP dans la couche cartilagineuse.

Analyse statistique

L’analyse statistique a été réalisée à l’aide de logiciels statistiques (SPSS, version 29.0, IBM ; et MedCalc, version 20.1, MedCalc Software) en consultation avec un biostatisticien. Les caractéristiques de base (par exemple, l’âge) ont été présentées sous forme de moyennes et d’écarts-types pour les variables continues et sous forme de fréquences et de proportions pour les variables catégorielles. L’accord interobservateur pour les résultats d’imagerie a été évalué à l’aide des statistiques κ, avec un κ pondéré utilisé pour les grades de dégradation du cartilage. Les niveaux d’accord ont été classés de faible à presque parfait en fonction du coefficient κ (tableau S4). Pour le cartilage normal (grade 0), une analyse descriptive a été utilisée pour présenter les fréquences, avec des pourcentages, par rapport au nombre total de sous-régions normales. Les tests χ2 ont été utilisés pour les variables d’imagerie catégorielles, tandis que la corrélation de rang de Spearman a été appliquée pour évaluer les associations entre la dégradation du cartilage (grades 1–3) et les anomalies de l’OCJ sur les scans IRM 3D UTE et PDFS ; la force de la corrélation a été classée de très faible à très forte (tableau S5). Un modèle de régression logistique multinomiale a été utilisé pour évaluer l’association entre les variables d’imagerie et la dégradation du cartilage, en ajustant pour l’âge et le sexe. Des modèles de régression logistique ont été utilisés pour évaluer l’association entre les anomalies de l’OCJ et les anomalies du CCL et de la SBP, ainsi qu’entre les anomalies du CCL et de la SBP elles-mêmes, détectées à l’IRM PDFS, avec et sans ajustement des grades de dégradation du cartilage, de l’âge et du sexe. Les IC ont été fixés au niveau de 95 %. Si l’analyse indépendante des deux lecteurs et la lecture consensuelle étaient p < .05, les résultats étaient considérés comme statistiquement significatifs.

Résultats

Caractéristiques des participants

Au total, 143 scans IRM de 143 participants (72 hommes et 71 femmes ; âge moyen, 50,8 ans ± 17,6 [écart-type]) ont été inclus dans l’analyse formelle des images (fig 2). Les participantes (âge moyen, 55,8 ans ± 14) étaient plus âgées que les participants masculins (âge moyen, 45,8 ans ± 19,4) (p < .001) (tableau 1). Les anomalies observées sur les scans IRM sont répertoriées dans le tableau 1.

Distribution de la dégradation du cartilage avec ou sans anomalie du CCL et de la SBP

La figure 3 montre la délimitation anatomique des sous-régions du genou basée sur le score IRM de l’arthrose du genou et met en évidence les sous-régions (trochlée fémorale médiale, marge interne du tibia médial/latéral près de l’épine tibiale, région sous-épineuse du tibia et facettes médiales de la patella) qui ont été exclues de l’analyse d’images. Les fréquences des grades de dégradation du cartilage 1–3 avec ou sans anomalies du CCL ou de la SBP ont montré des différences selon l’emplacement. Le site le plus courant était la région centrale fémorale médiale (p < .001) (tableau S6). Les détails sont dans l’annexe S1.

Association entre les grades de dégradation du cartilage et les anomalies de l’OCJ sur les scans IRM PDFS et 3D UTE

L’association entre les grades de dégradation du cartilage et les anomalies de l’OCJ sur les scans IRM PDFS et 3D UTE est montrée dans le tableau 2 (lecture consensuelle) et le tableau S7 (lecture indépendante). À l’exception de l’irrégularité du CCL, toutes les anomalies de l’OCJ étaient corrélées avec les grades de dégradation du cartilage (p < .05). Les figures 4 et 5 montrent des exemples d’images de dégradation du cartilage avec les anomalies correspondantes dans le CCL et la SBP. La fréquence des lésions avec une ou plusieurs anomalies dans le CCL (ρ = 0,3–0,35 ; p < .001) ou la SBP (ρ = 0,35–0,43 ; p < .001) a montré une faible corrélation positive avec les grades de dégradation du cartilage. À l’IRM PDFS, les lésions de type œdème de la moelle osseuse (ρ = 0,38–0,48 ; p < .001) ont montré une faible corrélation positive avec les grades de dégradation du cartilage, tandis que les kystes sous-chondraux (ρ = 0,13–0,18 ; p < .001) et les ostéophytes centraux (ρ = 0,12–0,26 ; p < .001) ont montré des corrélations très faibles. Sur les scans IRM 3D UTE, les défauts du CCL (ρ = 0,49–0,52 ; p < .001) étaient modérément corrélés, tandis que l’amincissement du CCL (ρ = 0,2–0,3 ; p < .001), l’épaississement irrégulier de la SBP (ρ = 0,3–0,35 ; p < .001) et les défauts de la SBP (ρ = 0,34–0,42 ; p < .001) étaient faiblement corrélés. L’épaississement du CCL (ρ = −0,12 à 0,19 ; p < .05) a montré une très faible corrélation négative. L’irrégularité du CCL n’a pas montré de corrélation, sauf dans les données du lecteur 1. Les résultats de savoir si les anomalies du CCL et de la SBP représentées à l’IRM 3D UTE étaient confinées à la zone de dégradation du cartilage ou s’étendaient dans le cartilage normal adjacent selon le degré de dégradation du cartilage sont dans l’annexe S1.

Discussion

Dans cette étude, les anomalies du cartilage calcifié (CCL) et de la plaque osseuse sous-chondrale (SBP) à l’IRM 3D à temps d’écho ultra-court (UTE) étaient associées aux grades de dégradation du cartilage et aux anomalies de la jonction ostéochondrale à la séquence IRM en écho de spin rapide avec suppression de graisse (p < .05). Le CCL et la SBP sont connus pour contribuer à l’arthrose, mais la recherche a été limitée par l’incapacité à détecter les signaux de ces structures à l’IRM conventionnelle. Cette étude suggère que l’IRM 3D UTE, parallèlement à l’IRM conventionnelle, pourrait améliorer la recherche sur les rôles du CCL et de la SBP dans l’arthrose.

La fréquence des lésions avec une ou plusieurs anomalies du CCL ou de la SBP était corrélée avec les grades de dégradation du cartilage (p < .05). L’amincissement et les défauts du CCL étaient positivement corrélés avec les grades de dégradation du cartilage, ce qui correspond aux études pathologiques montrant une augmentation de la tortuosité de la ligne tidemark et une diminution de l’épaisseur du CCL à mesure que l’arthrose progresse. Cependant, peu d’études suggèrent que le CCL s’étend et envahit le cartilage articulaire sus-jacent pendant l’arthrose, conduisant à la duplication de la ligne tidemark et à l’épaississement du CCL. Cette étude a démontré que l’épaississement du CCL présente une très faible corrélation négative avec la dégradation du cartilage, soutenant la théorie de l’expansion du CCL pendant les premiers stades de l’arthrose. Parallèlement, l’irrégularité du CCL, observée dans 30 % à 60 % de tous les grades, peut refléter un changement généralisé dans la dégradation du cartilage et la tortuosité de la ligne tidemark. Les défauts du CCL et l’épaississement irrégulier et les défauts de la SBP étaient également positivement corrélés avec les grades de dégradation du cartilage (p < .05). À mesure que l’arthrose progresse, les microdommages dans le CCL et l’os sous-chondral augmentent, ainsi que l’épaississement de la SBP et l’irrégularité de surface, ce qui explique la forte association entre les anomalies du CCL et de la SBP et la dégradation du cartilage dans cette étude.

Nous avons constaté que les lésions de type œdème de la moelle osseuse sous-chondrale, les kystes sous-chondraux et les ostéophytes centraux étaient associés à diverses anomalies du CCL et de la SBP. Les lésions de type œdème de la moelle osseuse étaient associées à l’irrégularité du CCL, aux défauts du CCL, à l’épaississement irrégulier de la SBP et aux défauts de la SBP (p < .05). Dans l’arthrose, les lésions de type œdème de la moelle osseuse indiquent des régions avec nécrose graisseuse, fibrose localisée de la moelle osseuse et changements vasculaires