INNOvations en élastographie pour quantifier la Viscosité et l’ANisotropie musculaire – INNOVAN

Les acquisitions ultrasonores ont été réalisées à l’aide d’un échographe ultrarapide (Mach30, Supersonic Imagine) couplé à une sonde linéaire haute fréquence (SL18-5, 7,5 MHz, 256 éléments). Deux séquences ultrasonores distinctes ont été utilisées afin d’étudier deux modes de propagation des ondes de cisaillement : le mode à polarisation horizontale (SH), issu d’une séquence commerciale, et le mode à polarisation verticale (SV), exploré à l’aide d’une séquence de recherche.

Dans les deux cas, les ondes de cisaillement étaient générées par une force de radiation acoustique produite par un faisceau ultrasonore focalisé (« pushing beam »). La propagation des ondes était ensuite enregistrée grâce à une imagerie ultrarapide basée sur la composition de plusieurs ondes planes inclinées. La vitesse des ondes de cisaillement était calculée à partir d’un algorithme de temps de vol appliqué aux séquences enregistrées, permettant d’estimer le module de cisaillement du tissu.

La séquence commerciale a été utilisée pour analyser le mode SH. Dans cette configuration, le faisceau de poussée était toujours perpendiculaire à l’orientation des fibres musculaires, et la propagation des ondes de cisaillement était mesurée parallèlement et perpendiculairement à celles-ci. La polarisation des ondes restait donc perpendiculaire à l’axe des fibres. Les modules de cisaillement parallèles et perpendiculaires aux fibres étaient calculés à partir de la vitesse des ondes de cisaillement, en tenant compte de l’angle entre la sonde et l’axe des fibres ainsi que de la densité du tissu.

La séquence de recherche, appelée « steered ultrasound pushing beam » (SPB), a été développée pour étudier le mode SV. Dans ce cas, la sonde était positionnée parallèlement à l’axe des fibres musculaires et maintenue fixe pendant les acquisitions. Le faisceau de poussée et la reconstruction des images étaient orientés selon un angle variable compris entre −20° et +20°, par pas de 5°. La source d’ondes de cisaillement était constituée de trois faisceaux de poussée successifs, espacés en profondeur, et l’imagerie ultrarapide utilisait cinq ondes planes inclinées afin de capturer la propagation des ondes. Les modules de cisaillement parallèles et perpendiculaires ainsi que le facteur d’anisotropie élastique étaient ensuite estimés en ajustant les données expérimentales à un modèle théorique. Pour les muscles pennés, la sonde était alignée avec l’axe principal des fibres et la séquence SPB était utilisée afin de caractériser leur comportement mécanique anisotrope.

1. Validation de la méthode SPB en laboratoire et en muscles ex vivo

La nouvelle séquence ultrasonore à faisceaux dirigés SPB a permis de quantifier deux paramètres mécaniques clés d’un muscle anisotrope à partir d’une seule acquisition :

le module de cisaillement parallèle aux fibres musculaires (μ//) et un facteur d’anisotropie élastique combinant les modules dans les directions parallèle et perpendiculaire aux fibres.

2. Concordance avec des mesures mécaniques classiques

En tests ex vivo sur muscles de bœuf, les valeurs d’anisotropie obtenues avec la méthode SPB étaient en bonne corrélation avec celles mesurées par tests mécaniques standards (sur les modules élastiques via essais de traction), validant l’exactitude de la méthode.

3. Application in vivo sur muscles humains

La technique a été appliquée in vivo sur deux types de muscles chez des volontaires :

un muscle fusiforme (biceps brachii), un muscle mono-penné (gastrocnemius medialis).

Il a été possible de mesurer l’anisotropie élastique dans les deux muscles pendant différentes phases — au repos, en étirement, et en contraction active.

4. Effet de l’état musculaire sur l’anisotropie

Les résultats montrent que le facteur d’anisotropie et le module de cisaillement parallèle augmentent avec l’intensité de contraction musculaire. Cela reflète que la rigidité directionnelle du muscle (et donc sa réponse mécanique) dépend de l’activité du muscle, ce qui est cohérent avec les observations de travaux antérieurs sur l’élasticité musculaire.

5. Extension de cette approche aux nerfs

6. Protocole clinique sur myopathes de Becker et Duchène en cours à l'institut de myologie (2026). clinicaltrials.gov/study/NCT07378553

Ce projet INNOVAN débouche sur plusieurs perspectives:

1/ Méthodologiques et technologiques

Une extension vers une caractérisation mécanique 3D du muscle. La méthode SPB permet une quantification fiable de l’anisotropie élastique dans le plan d’imagerie. Une perspective majeure est son extension à des acquisitions tridimensionnelles, afin de mieux prendre en compte la complexité architecturale des muscles, notamment les muscles pennés dont les fibres se déplacent en 3D.

Une amélioration de la robustesse et de la profondeur des mesures en optimisant la technique pour augmenter la profondeur d’exploration, réduire la sensibilité à l’alignement sonde–fibres et améliorer la robustesse en conditions cliniques variées (morphologie, tissu adipeux, mouvements).

Une intégration complète des paramètres viscoélastiques. La méthode actuelle se concentre sur les propriétés élastiques. Une perspective importante est l’accès à la viscosité musculaire, via l’analyse fréquentielle ou dispersive des ondes de cisaillement, afin d’obtenir une description plus complète du comportement mécanique du muscle.

2/ Fondamentales

Une meilleure compréhension de la fonction musculaire en utilisant cette nouvelle capacité à mesurer l’anisotropie élastique in vivo, au repos, en étirement et en contraction, ouvre la voie à une analyse fine du lien entre activation musculaire, architecture des fibres et propriétés mécaniques, contribuant à une meilleure modélisation biomécanique du muscle.

Comprendre le lien entre architecture musculaire et propriétés mécaniques. Les résultats encouragent des études combinant SPB, imagerie architecturale (échographie B-mode) et modèles mécaniques pour relier directement l’organisation des fibres à la rigidité directionnelle du muscle.

3/ Cliniques et applicatives

Utiliser ces nouveaux biomarqueurs musculaires. Le facteur d’anisotropie élastique mesuré par SPB pourrait devenir un biomarqueur sensible pour détecter précocement des altérations musculaires non visibles avec les techniques classiques d’élastographie isotrope.

Aller vers des applications en pathologies neuromusculaires et en médecine du sport, car la technique présente un fort potentiel pour le suivi de maladies neuromusculaires (comme les dystrophies musculaires), l’évaluation des lésions musculaires, de la fatigue ou de la récupération chez le sportif, ainsi que pour le suivi de la rééducation.

Transferer ce nouvel outil vers la pratique clinique. À terme, l’intégration de la séquence SPB dans des échographes cliniques pourrait permettre une évaluation rapide, non invasive et quantitative de l’anisotropie musculaire au lit du patient, sans recours à des modalités lourdes comme l’IRM.

L'élastographie par ondes de cisaillement (SWE) ultrasonore (US) est devenue populaire aussi bien en sciences fondamentales qu’en clinique pour mesurer les propriétés mécaniques locales des tissus biologiques de manière non invasive. Cependant, pour les tissus anisotropes et viscoélastiques tels les muscles, SWE souffre de deux inconvénients qui limitent son application. 1) les mesures SWE 2D ne sont pas capables de prendre en compte l'anisotropie (AN) musculaire due aux fibres qui se déplacent dans l'espace 3D, ce qui induit un biais de mesure. 2) Bien que la viscosité est une propriété cruciale pour le muscle, les technologies SWE actuelles ne permettent pas de mesurer la viscosité. Par conséquent, le premier objectif du projet INNOVAN est de s'attaquer à ces deux inconvénients, afin d'étendre fortement le potentiel de SWE. Dans un premier temps, une sonde motorisée et une technique d'inclinaison de la propagation de l'onde de cisaillement seront développées pour une caractérisation 3D (tâche 2). Deuxièmement, une séquence US nouvellement conçue qui tient compte des effets de diffraction permettra de mesurer l'atténuation de l'onde de cisaillement (tâche 3). Par conséquent, les deux tâches permettront de mesurer les modules de conservation et de perte en 3D, conduisant à une caractérisation complète des propriétés rhéologiques musculaires (produit final (PF) 1). Cela sera confirmé en utilisant l’élastographie IRM comme méthode de comparaison (tâche 4). Le second objectif de ce projet est d'utiliser le PF 1 pour mieux comprendre le comportement mécanique du muscle 3D (tâche 5). Nous déterminerons le meilleur modèle rhéologique en fonction de la direction de l'espace, du niveau d'étirement et du niveau de contraction. L'hypothèse est que le niveau de tension musculaire augmenterait à la fois l’AN élastique et visqueuse. Enfin, nous allons construire un modèle pour corriger les mesures SWE lorsque l'onde de cisaillement ne se propage pas le long de la direction des fibres musculaires (PF 2). Ceci est crucial pour les muscles pennés, la grande majorité des muscles, car les techniques SWE commercialisées sont biaisées en raison de l'incapacité d'aligner la propagation de l'onde de cisaillement avec la direction des fibres musculaires. Le troisième objectif est d'utiliser le PF 1 pour deux applications cliniques. La tâche 6 vise à déterminer: 1) si la viscosité musculaire affecte la quantité de lésion musculaire induite par un exercice intense et 2) si les modifications de la structure musculaire associées à une lésion musculaire peuvent être quantifiées à partir des mesures d’AN. L’hypothèse est que 1) les muscles ayant une viscosité plus élevée auraient moins de dommages, grâce à une plus grande dissipation d'énergie pendant l'exercice excentrique et 2) l’AN musculaire serait affectée en raison de la lésion musculaire et serait corrélée aux modifications des déficiences fonctionnelles. L’AN musculaire et les mesures de viscosité pourraient donc être des indicateurs pertinents de lésion musculaire et de la susceptibilité éventuelle à la faiblesse musculaire. La tâche 7 déterminera: 1) comment les propriétés viscoélastiques 3D du muscle sont affectées chez les enfants atteints de dystrophie musculaire de Duchêne (DMD) 2) si les changements dans les propriétés viscoélastiques du muscle 3D sont corrélés avec une altération de la fonction à 1 an. L’hypothèse est que l’AN et la viscosité sont radicalement modifiées dans les muscles DMD, conduisant à une méthode simple non invasive pour suivre les changements de la fonction musculaire induite par DMD. Par conséquent, l'ambition du projet multidisciplinaire INNOVAN est de proposer des innovations en imagerie US afin 1) d'obtenir une meilleure compréhension fondamentale du comportement musculaire et 2) d'effectuer des applications cliniques importantes. À cette fin, nous avons réuni un consortium de grands groupes de recherche en physique, biomécanique, physiologie et médecine.