Application de la technique de rétrodiffusion ultrasonore dans la caractérisation quantitative des tendons

Contexte académique

La tendinopathie est une maladie courante du système musculo-squelettique, caractérisée par des modifications de la microstructure, de la composition et de l’organisation cellulaire des tendons, entraînant douleur et diminution de la fonction. La tendinopathie est souvent déclenchée par une surutilisation et peut s’accompagner de néovascularisation, d’inflammation, de désordre des fibres de collagène et d’autres changements pathologiques. Bien que le diagnostic précoce de la tendinopathie soit crucial, les méthodes actuelles de diagnostic reposent principalement sur l’expérience des médecins et manquent de moyens d’évaluation quantitatifs et objectifs. Bien que l’imagerie ultrasonore soit déjà utilisée pour diagnostiquer la tendinopathie, elle repose sur des jugements subjectifs des médecins et ne fournit pas de données quantitatives. Par conséquent, le développement d’une méthode de diagnostic non invasive et quantitative revêt une importance capitale pour le diagnostic précoce et le traitement de la tendinopathie.

La technique de rétrodiffusion ultrasonore (ultrasound backscatter technique) est une méthode quantitative basée sur l’analyse des signaux ultrasonores, qui a été largement appliquée à la caractérisation des os, du myocarde et d’autres tissus. Des études montrent que les paramètres de rétrodiffusion ultrasonore sont très sensibles aux changements microstructuraux des tissus, ce qui leur confère une valeur potentielle dans l’évaluation de la tendinopathie. Cependant, il existe peu d’études sur la relation entre les paramètres de rétrodiffusion ultrasonore et l’état de santé des tendons, et il manque des méthodes de mesure standardisées. L’objectif de cette recherche est d’explorer la faisabilité de la technique de rétrodiffusion ultrasonore dans la caractérisation quantitative des tendons et d’analyser sa corrélation avec les propriétés élastiques et mécaniques des tendons.

Source de l’article

Cet article a été réalisé par Qian Zheng, Min He, Ying Li du Département de génie biomédical de l’École des sciences et technologies de l’information de l’Université Fudan, ainsi que Mengyao Liu et Lixin Jiang du Département d’échographie de l’Hôpital Renji de l’École de Médecine de l’Université Jiaotong de Shanghai. Le premier auteur de l’article est Qian Zheng, et l’auteur correspondant est Dean Ta, du Département de médecine de rééducation de l’Hôpital Huashan affilié à l’Université Fudan. L’article a été publié en 2025 dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering, sous le titre “Quantitative Ultrasonic Backscatter Evaluation of Elastic and Mechanical Property in a Rabbit Tendinopathy Healing Model”.

Processus de recherche

1. Conception expérimentale et modèle animal

L’étude a sélectionné 66 lapins blancs de Nouvelle-Zélande, répartis aléatoirement en trois groupes : un groupe témoin normal (NC, n=6), un groupe témoin modèle (MC, n=30) et un groupe de traitement par ultrasons pulsés de faible intensité (LT, n=30). Les groupes MC et LT ont subi un modèle de tendinopathie induit par injection de prostaglandine E2 (PGE2), tandis que le groupe NC a reçu une solution saline PBS comme contrôle. Le groupe LT a reçu un traitement par ultrasons pulsés de faible intensité (LIPUS) après la création du modèle, tandis que le groupe MC a reçu un faux traitement par ultrasons. L’expérience a été divisée en cinq points temporels (1, 4, 7, 14 et 28 jours) pour l’évaluation, avec six animaux par groupe à chaque point temporel.

2. Mesures par élastographie par onde de cisaillement (SWE)

Un système d’échographie Aixplorer a été utilisé pour réaliser l’élastographie par onde de cisaillement, mesurant le module de cisaillement (shear modulus) et la vitesse de l’onde de cisaillement (shear wave velocity) des tendons d’Achille des lapins. Une imagerie en niveaux de gris 2D a permis d’évaluer la structure du tendon, et en mode élastographie, des paramètres quantitatifs ont été extraits. Pour garantir la précision, plusieurs mesures ont été effectuées et la moyenne a été utilisée pour les analyses ultérieures.

3. Tests de performances mécaniques

Les tests mécaniques ont été réalisés sur des échantillons de tendon in vitro, incluant la mesure de la charge maximale (max load), la rigidité (stiffness), la contrainte maximale (max stress) et le module de traction (tensile modulus). Une machine d’essai universelle Instron 5965 a été utilisée pour effectuer des essais de traction, enregistrant la courbe charge-déplacement et calculant les paramètres associés.

4. Mesures de rétrodiffusion ultrasonore

Un appareil de diagnostic ultrasonore développé en interne a été utilisé pour acquérir les signaux de rétrodiffusion, à une fréquence de 3,5 MHz. Les signaux ont été collectés de manière in vitro et in vivo, et la région d’intérêt du signal (signal of interest, SOI) du tendon d’Achille a été extraite. Les signaux ont été traités à l’aide de la transformée de Hilbert et d’un filtre de moyenne mobile, permettant de localiser dynamiquement les pics des ondes réfléchies et d’extraire le SOI.

5. Calcul des paramètres de rétrodiffusion

Quatre paramètres de rétrodiffusion ont été calculés : la rétrodiffusion intégrée moyenne (average integrated backscatter, AIB), le décalage du centroïde spectral (spectral centroid shift, SCS), la pente de la fréquence de la rétrodiffusion apparente (frequency slope of apparent backscatter, FSAB) et l’interception à la fréquence zéro (frequency intercept of apparent backscatter, FIAB). Ces paramètres reflètent les changements microstructuraux du tendon ainsi que leurs corrélations avec les propriétés élastiques et mécaniques.

Résultats principaux

1. Corrélation entre les paramètres élastiques et mécaniques

L’étude a révélé que le module de cisaillement est positivement corrélé aux paramètres mécaniques (comme la charge maximale, la rigidité, la contrainte maximale et le module de traction), avec la corrélation la plus forte entre le module de cisaillement et le module de traction (r = 0,61, p < 0,0001). Cela indique que les paramètres élastiques ultrasonores peuvent efficacement caractériser les performances mécaniques du tendon.

2. Évaluation des signaux de rétrodiffusion in vitro

Les paramètres de rétrodiffusion (AIB, SCS, FSAB) sont significativement corrélés négativement avec le module de cisaillement, AIB présentant la corrélation la plus forte (r = -0,72, p < 0,0001). Cela montre que ces paramètres peuvent refléter de manière sensible les changements microstructuraux du tendon, notamment lors des processus de blessure et de guérison.

3. Évaluation des signaux de rétrodiffusion in vivo

Les résultats in vivo sont cohérents avec ceux in vitro, AIB, SCS et FSAB étant significativement corrélés négativement avec le module de cisaillement. Notamment, AIB a montré une stabilité accrue dans les expériences in vivo, capable de caractériser simultanément les propriétés élastiques et mécaniques du tendon.

Conclusion

Cette étude valide la faisabilité de la technique de rétrodiffusion ultrasonore pour la caractérisation quantitative des tendons. Les paramètres AIB, SCS et FSAB peuvent efficacement refléter les changements microstructuraux du tendon et leur corrélation avec les propriétés élastiques et mécaniques. En particulier, AIB présente des capacités d’évaluation stables dans les expériences in vivo, offrant une nouvelle approche pour le diagnostic non invasif de la tendinopathie.

Points forts de l’étude

1. Méthode innovante : Cette étude applique pour la première fois la technique de rétrodiffusion ultrasonore à la caractérisation quantitative des tendons et propose une méthode d’extraction du SOI basée sur un modèle de tissu multicouche.
2. Analyse multiparamétrique : En analysant de manière globale plusieurs paramètres de rétrodiffusion (AIB, SCS, FSAB et FIAB), cette étude évalue de manière complète la microstructure du tendon et ses relations avec les propriétés élastiques et mécaniques.
3. Valeur clinique : Les résultats de cette recherche fournissent des outils d’évaluation quantitatifs et objectifs pour le diagnostic précoce et le traitement de la tendinopathie, avec une grande valeur clinique.

Autres informations utiles

La limitation de cette étude réside dans l’absence d’un standard de référence pour le diagnostic des tendons. Les recherches futures pourraient explorer davantage l’impact de différentes fréquences ultrasonores sur les signaux de rétrodiffusion et optimiser les techniques d’extraction du SOI pour améliorer la précision. De plus, les résultats de cette recherche jettent les bases théoriques pour le développement futur d’équipements de diagnostic des tendons basés sur la rétrodiffusion ultrasonore.

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À travers cette description détaillée de l’étude, nous pouvons clairement voir le grand potentiel de la technique de rétrodiffusion ultrasonore dans la caractérisation quantitative des tendons. Cette technologie non seulement fournit de nouveaux outils pour le diagnostic de la tendinopathie, mais pose également des bases solides pour des applications cliniques futures.