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Développement d'une méthode pour évaluer l'impact de la suppression de la douleur sur l'activité musculaire chez des personnes arthrosiques : résultats préliminaires

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Jeandel, Sophie (2018). Développement d'une méthode pour évaluer l'impact de la suppression de la douleur sur l'activité musculaire chez des personnes arthrosiques : résultats préliminaires. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Introduction
Le principal problème de l’analyse électromyographique des patients arthrosiques est la difficulté à détecter les activations musculaires à cause de la présence importante de bruit. Aucun étalon d’or n’existe actuellement pour analyser les signaux électromyographiques (EMG) de patients qui souffrent d’arthrose du genou. Aucune étude n’a encore étudié l’impact de la douleur sur ces signaux. L’objectif de cette étude exploratoire était de développer une méthode assez sensible pour évaluer l’effet de la suppression de la douleur sur l’activité musculaire chez les patients arthrosiques.

Méthode
La première partie de ce mémoire présente le développement d’une méthode semiautomatique d’analyse des signaux EMG de sujets arthrosiques. La seconde partie présente les résultats d’une étude sur cette méthode chez sur un groupe de neuf sujets souffrant d’arthrose du genou. Pour cette seconde partie, les critères d’inclusion principaux des sujets étaient la présence d’une arthrose médiale du genou avec ou sans arthrose fémoro-patellaire de meme qu’une intensité de douleur supérieure ou égale à 3 sur une échelle numérique de douleur (END) de 0 à 10. Des essais de marche ont été effectués à une vitesse auto-sélectionnée par le participant avant et après suppression de la douleur par une injection intra-articulaire d’un anesthésiant local (5 cc de Xylocaïne 1% sans épinéphrine). Les signaux EMG ont été enregistrés sur quatre muscles : vaste latéral, vaste médial, semi-tendineux, et biceps femoral.

Les signaux EMG ont été vérifiés visuellement pour détecter les données aberrantes potentielles et traités comme suit : (1) filtre passe-bande 30-300 Hz; (2) rectification; (3) utilisation de la méthode Teager-Kaiser Energy (TKE) connue pour améliorer la précision de la détection des activations musculaires; (4) filtre passe-bas 50Hz couplé à un filtre localize passe-bas 6Hz. Une deuxième vérification manuelle a ensuite été faite pur détecter les potentielles données aberrantes. La détection des activations s’est faite basée sur la method seuil. Le facteur utilisé pour la définition du seuil d’activation a été déterminé selon le ratio signal-sur-bruit (SNR) et n’était pas constant tout au long du cycle de marche.

Résultats
L’étude de répétabilité intra-opérateur effectuée sur cinq patients, parmi les neufs participants ayant accepté d’y participer a démontré que la méthode de traitement développée était répétable chez deux évaluateurs d’expérience différente. L’étude de reproductibilité interopérateur effectuée également chez ces cinq sujets a montré la nécessité d’ajouter des jalons de vérification manuelle par l’évaluateur mais que l’expérience de ce dernier influençait peu la reproductibilité de la méthode. Chez les neuf participants ayant reçu une injection d’anesthésique local, un total de 28 muscles ont été analysés, après suppression des données inexploitables. La méthode de traitement des signaux EMG proposée a permis de détecter les activations musculaires chez tous les patients. Après suppression de la douleur, la majorité des signaux EMG montraient des changements au niveau des activations musculaires avec une tendance à une diminution de leur intensité. L’intensité de certaines activations secondaires apparaissant entre 40 et 80% du cycle de marche était également diminuée et leur fréquence d’apparition diminuée voire supprimée totalement.

Discussion
Ces résultats préliminaires montrent que la method proposée est répétable et reproductible pour tous les muscles analysés, et permet d’analyser les signaux EMG de patients arthrosiques avec une intervention minime d’un utilisateur. Ils suggèrent également que la suppression de la douleur a un impact sur l’intensité et la variabilité des activations des muscles pendant la marche. Ces résultats suggèrent la présence d’un mécanisme de protection de la douleur chez les patients arthrosiques qui entrainerait une contraction musculaire plus élevée. La suppression de la douleur semblerait donc ramener à un patron "normal" les patrons d’activation des muscles de sujets arthrosiques. Ils ouvrent la voie à une étude de plus grande envergure afin de vérifier cette hypothèse et éventuellement déterminer comment la suppression de la douleur influe également sur la biomécanique articulaire.

Titre traduit

Development of a method to assess the impact of pain relief on muscle activity in knee osteoarthritic patients : preliminary results

Résumé traduit

Introduction
The main problem with the analysis of electromyography (EMG) signals in patients with knee osteoarthritis (OA) is the difficulty to detect muscle activation because of increased noise. There is no golden standard for analysing this type of EMG signals, and there is no study regarding how pain affects the signals. The objective of this preliminary study is to develop a method for detection of EMG signals that is sensitive enough to evaluate how suppressing pain influences muscular activity in knee OA patients.

Methods
The first part of this master’s thesis describes the development of a semi-automatic method to analyse OA patients’ EMG signals. The second part focuses on the results on a group of nine OA subjects. In this part, main inclusion criterion were the existence of medial knee OA with or without patellofemoral OA, and pain intensity greater than or equal to 3 on a Numeric Rating Scale (NRS) from 0 to 10. Gait trials were performed at a self-selected speed before and after pain suppression induced by an intra-articular injection of 5 ml of lidocaine (1%). EMG signals were collected on four muscles: semitendinous (ST), biceps femoris (BF), vastus lateralis (VL) and vastus medialis (VM).

The raw EMG signals were assessed visually to detect potential outliers. Conditioning of the signals was performed in the following order: 1) band-pass filtering at 30-300 Hz 1, 2) rectification, 3) use of the Teager-Kaiser Energy (TKE) method known to increase the detection accuracy of muscle activation, and 4) low-pass filtering at 50 Hz and localized 6 Hz. A second visual verification was performed again to delete other potential outliers. Detection of the activations was based on the threshold method. The factor used for the threshold was determined based on the signal-to-noise ratio and was not constant over the gait cycle.

Results
Repeatability analysis intra-operators made on five among nine subjects who willingly participated in the study showed that the method was repeatable for both examiners who had different degrees of experience. Inter-operators reproducibility made on these five same subjects confirmed the need of visual inspection by an examiner to detect outliers, however the examiner’s experience did not have an influence on the reproducibility results. Among the nine patients who received the anesthetic injection, 28 muscles were analysed, after suppression of unusable signals. The semi-automatic method for EMG signals enabled detecting muscles activations in all patients. After suppressing pain, most of EMG signals showed modifications in muscular activations as well as a tendency towards lower intensity. Some secondary activations noticeable between 40% and 80% of the walking cycle were reduced in intensity; their frequency of occurrence was lowered and even sometimes zero.

Discussion
These preliminary results showed that the proposed method is repeatable and reproducible for all the analysed muscles, and allows EMG signals analysis in OA patients with minimal involvement of the examiner. Results also suggest that pain suppression has an impact on the intensity and variability of muscular activations during walking gait. This may imply that a pain protection mechanism in knee OA exists, and leads to higher contraction of muscles. Suppressing pain would therefore drive activation patterns of the knee OA patients’ muscles to evolve towards a ‘’normal’’ pattern. These results open the way for a larger study to ensure this hypothesis, and furthermore to maybe identify how pain suppression impacts on articular biomechanics.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie concentration technologie de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 135-140).
Mots-clés libres: EMG, marche, douleur, arthrose
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hagemeister, Nicola
Codirecteur:
Codirecteur
Choinière, Manon
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 26 nov. 2018 15:21
Dernière modification: 26 nov. 2018 15:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2162

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