Le présent mémoire avait comme premier objectif d`investiguer I

Le présent mémoire avait comme premier objectif d'investiguer I'efficacité de la
stimulation électrique (SE) de hautes (HF=50 Hz) et basses (BF=8 Hz) fréquences
appliquées au niveau du quadriceps suite a une reconstruction du ligament croisé
antérieur afin d'éviter I'apparition d'une atrophie de ces muscles. Un premier groupe
de patients a été soumis à 3 séances hebdomadairesde SE de HF combinées à des
séances quotidiennes de BF, alors que le second groupe n'a été soumis qu'aux
séances quotidiennes de SE de BF. Des images de résonance magnétique (IRM)
réalisées avant et après les 8 semaines du protocole ont démontré une perte
d'environ seulement 10% (pe0.05) du volume du quadriceps au niveau du genou
reconstruit qui était comparable chez les 2 groupes. Cette première étude a donc
démontré que la SE de BF s'avérait efficace pour maintenir la masse du quadriceps.
La deuxième étude s'est intéressée aux changements dans la masse des muscles
extenseurs lombaires suite a une discoidectomie. A l'aide ÇI'IRM, cette étude a
démontré que des signes d'atrophie du muscle multifidus au niveau de la région
lombaire (L4-L5) étaient présents 4 semaines après la chirurgie et persistaient jusqu'à
8 semaines chez certains patients suggérant ainsi que des efforts thérapeutiques plus
appropriées devraient être consentis auprès de ces patients.
Hélène Morin, B. Sc. Étudiante
AVANT-PROPOS
'Rien n'est trop haut pour l'oiseau, s'il vole de ses propres ailes." W. Blake
Au terme de ces 3 années d'apprentissage et de familiarisation avec !a milieu
scientifique. je suis maintenant rendue à i'étape de prendre mon envol. Je tiens tout
d'abord à remercier sincèrement mon directeur, Dr Jean-Aimé Simoneau. pour
m'avoir initiée aux rigueurs de la science et m'avoir transmis cece snif de savoir qui
ranime depuis tant d'années. IIa su guider mon cheminement pour qu'il soit des plus
enrichissants tant sur le plan intellectuel que personnel. Je suis également
reconnaissante envers les personnes qui ont collaborées de près ou de loin à la
concrétisation de ces 2 projets de recherche et à l'Institut de recherche en santé et en
sécurité au travail pour m'avoir supportée financièrement. Un merci bien spécial à
mes parents, qui ont toujours appuyé mes choix. et à mon complice de chaque jour
pour sa patience et ses bons mots. Je ne puis passer sous silence i'appui (surtout en
informatique) de mes collègues de travail au LABSAP, qui ont donné cours à des
échanges très enrichissants, et les encouragementsde mes arnis(es). MERCI à tous.
"Nous n'arrêteronspas de chercher
Mais au bout de tous nos pas
Nous reviendronslà d'où nous sommes partis
Et nous reverrons l'endroit pour la première fois." T.S. Eliot
À mes parents et
À Jean-François
TABLE DES MATIÈRES
................................................................................
RESUME
.......................................................................
AVANT-PROPOS
............................................................
TABLE DES MATIERES
..................................................
CHAPITRE 1: INTRODUCTION
...................
CHAPITRE 2: PROBLÉMATIQUEDES TRAVAUX
CHAPITRE 3: PREMIERE ÉTUDE............................................
CHAPITRE 4: DEUXIÈME ÉTUDE .............................................
CHAPITRE 5: CONCLUSIONS..................................................
CHAPITRE 6: REFÉRENCESDES CHAPITRES 1 ET 2..........
INTRODUCTION
Grâce aux conséquences bénéfiques de la pratique régulière d'activités
physiques sur la santé rapportées dans la littérature. un plus grand nombre
d'individus tente de s'adonner ou s'adonnent presque quotidiennement à différentes
activités sportives. Certaines de ces activités sont toutefois plus à risque que
d'autres et. par le fait même, l'incidence de traumatismes d'origine musculosquelettique touchant différentes articulations a augmenté au cours des 20 dernières
années. Améliorer les capacités fonctionnelles des personnes affectées par de tels
traumatismes, qu'ils soient mineurs ou majeurs, demeure encore un objectif
primordial pour le professionnel de la santé impliqué dans le secteur de la
réadaptation et ce, afin qu'il puisse contribuer à atténuer ou même corriger le
déséquilibre auquel doit faire face le patient au cours de sa période de
convalescence.
Le traitement de ces blessures comprend une période plus ou moins prolongée
d'immobilisation partielle ou complète pouvant entraîner des changements
dégénératifs et avoir des conséquences néfastes sur les caractéristiques
physiologiques des muscles squelettiques liés à I'articulation traumatisée. Un des
principaux changements survenant lors d'une interruption obligatoire de la pratique
d'exercices physiques occasionnée par une blessure grave est l'atrophie musculaire.
Cette perte de masse musculaire peut être engendrée par une diminution de l'activité
contractile du muscle, par la presence d'un réflexe d'inhibition occasionné par la
douleur et l'oedème. de même que par une diminution de la capacité fonctionnelle
générale de la personne. De nombreuses études ayant plus particulièrement analysé
les caractéristiques ultrastructurales, morphologiques et métaboliques du muscle
squelettique ont également constaté que de telles caractéristiques pouvaient être
substantiellement altérées à la suite d'une assez longue période d'inactivité physique.
Ainsi, dans le but de contrer les effets d'une période d'inactivité contractile assez
importante, et reconnue comme ayant des conséquences néfastes sur le muscle, la
pratique des professionnels de la santé s'est ajustée de telle sorte que
l'immobilisation plâtrée qui était pourtant considérée comme la pratique
recommandée au cours des années 1980 fut sysîématiquement remplacée par des
stratégies thérapeutiques préconisant une mobilisation rapide de l'articulation
affectée. Ces stratégies furent adoptées afin de faciliter la capacité du thérapeute à
restaurer la mobilité articulaire, la force et l'endurance d'un muscle ou groupes
musculaires en ayant comme but de ramener le plus rapidement possible le patient à
ses activités professionnelles ou sportives.
D'ailleurs, plusieurs approches
thérapeutiques sont présentement utilisées en physiothérapie afin de contrecarrer les
effets néfastes de l'inactivité musculaire et des séquelles chirurgicales. Parmi les
modalités disponibles, il est de plus en plus fréquent d'avoir recours a la stimulation
électrique neuromusculaire en réadaptation physique. Bien qu'on lui reconnaisse
certaines propriétés intéressantes, peu d'études se sont attardées à vérifier son
efficacité à préserver les caractéristiques musculaires durant une période d'inactivité
physique. Une certaine incertitude persiste quant à son efficacité compte tenu des
différents protocolesexpérimentaux rapportés dans la littérature scientifique.
Le présent mémoire de maîtrise avait comme premier objectif d'étudier et de
comparer les effets de deux protocoles de stimulation électrique neuromusculaire
(SENM) transcutanée utilisant des impulsions générées à de hautes ou à de basses
fréquences appliquées au niveau des muscles extenseurs du genou suivant une
reconstmction du ligament croisé antérieur. Le deuxième objectif était de documenter
si des altérations morphologiques au niveau des muscles extenseurs lombaires, plus
particulièrementau niveau du muscle multifidus, étaient présentes suite une chirurgie
visant à résorber une hernie discale au niveau des demières vertèbres lombaires (L4L5 ou L5-SI).
PROBLÉMATIQUE DES TRAVAUX
1. Déchirure du ligament croisé antérieur et sa reconstruction
1.1 Fréquence de la blessure
Une grande proportion des traumatismes musculosquelettiques touche
l'articulation du genou et les muscles liés a celle-ci. Bien qu'approximativement 25 %
des blessures au genou se produisent en faisant du sport, les athlètes démontrent
une fréquence 7 fois plus élevée de déchirure du ligament croisé antérieur (LCA) que
la population en général qui souffre plus souvent de déchirure méniscale (Maffulli et
al. 1996). Différents sports peuvent présenter certains patrons de blessures lesquels
varient en fonction de l'âge, du niveau auquel le sport est pratiqué et la position
occupée par I'athlete dans un sport d'équipe. Le plus grand nombre de blessures au
LCA survient dans des activités sportives impiiquant des mouvements de
décélération, de torsion, des sauts ou des contacts physiques. Le baseball. le
basketball, le football. le hockey sur glace et le ski alpin entraînent le plus de
blessures au genou en Amérique du Nord. En Europe. le volleyball et le soccer sont
considérés comme sports à risque pour de telles blessures (Bjordal et al. 1997). Les
entorses du LCA ont un taux croisant principalement au football, en ski alpin et au
rugby féminin. En effet, depuis les années 1980, l'avènement de nouveaux
équipements de ski alpin comme par exemple les bottes de plus en plus rigides a
contribué à augmenter l'incidence des blessures au genou. Aux États-Unis, de 1982 à
1993, une atteinte du LCA s'est produite dans 45 % des cas de blessures au genou
et a compté pour 10-20% des blessures de ski (Wanne et al. 1995).
L'importance du traumatisme au niveau du genou engendré par l'exercice
physique peut être variable mais, de façon générale, les blessures légères ou
modérées aux ligaments du genou, qui se traitent sans chirurgie, nécessitent un arrêt
assez prolongé (quelques semaines) de toutes les activités physiques du membre
affecté. Plusieurs patients sont incapables de pratiquer leur sport suite à une rupture
complète du LCA et quelques-uns vont même développer des déchirures méniscales,
de l'arthrose dégénérative secondaire accompagnée d'une sensation d'instabilité au
genou (Sommerlath et al. 1991). Dans ces conditions, l'articulation peut subir une
subluxation lors de la pratique d'un sport, ou même tout simplement en marchant.
Une fonction normale du LCA est essentielle puisque celui-ci a comme rôle prircipal,
avec I'aide du ligament croisé postérieur, d'assurer une bonne stabilité au genou en
empêchant les condyles fémoraux de s'éloigner du plateau tibia1 et en contrôlant les
mouvements de roulement et de glissement antérieurs et postérieurs au niveau de
I'a.ticulation tibio-fémorale. Pouvoir profiter de traitements efficaces qui permettraient
d'effectuer un retour a s 6 z rapide à la pratique régulière d'exercices physiques et. à
une articulation comme celle du genou, de retrouver une fonction normale dans un
court laps de temps s'avère une préocupation importante. La reconstructiondu LCA
devient impérative pour rendre l'articulation du genou de nouveau stable surtout chez
des patients jeunes et actifs.
1.2 Approche chirurgicale
Différentes techniques sont utilisées pour remplacer le LCA déficient. car ce
dernier présente peu ou pas de capacité de regénération comparativement au
ligament collatéral médial. La technique et le type de greffe utilisés varient selon
l'âge du patient. le temps écoulé depuis la blessure, le pronostic et le stress auquel
sera exposé le genou dans un avenir rapproché. Le succès de la chirurgie est alors
imputable à la sélection judicieuse des patients. de la greffe, de la méthode de
fixation, de l'approche chirurgicale et du protocole de réadaptation postopératoire.
Des études cliniques récentes n'ont rapporté aucune différence significative au
niveau de la stabilité du genou et de l'issue fonctionnelle du patient suite à une
reconstruction du LCA avec une autogreffe utilisant le tiers central du tendon rotulien
ou le tendon quadruplé du semitendineux (Brown et al. 1993; Marder et al. 1991).
Bien que cette dernière approche gagne en popularité (Brown et al. 1993; Maeda et
al. 1996; Rowden et al. 1997), la technique qui utilise le tiers central du tendon
rotulien avec baguettes osseuses aux deux extrémités comme ligament de
substitution demeure la technique la plus utilisée (Clancy et al. 1982; Holmes et al.
1991; Howe et al. 1991; O'Brien et al. 1991). malgré qu'une certaine morbidité.
quoique controversée, semble s'y rattacher (Rosenberg et al. 1992). D'ailleurs, c'est
la procédure utilisée dans le cadre du premier projet de ce mémoire de maitrise.
1.3 Changements postopératoires
Après cette opération de reconstruction, le patient doit faire face à une
incapacité fonctionnelle importante qui peut durer plusieurs semaines puisque
l'articulation du genou possède une fonction limitée. Ce sont les muscles surtout
impliqués dans le mouvement d'extension du genou qui sont les plus gravement
affectés par cette mobilité réduite. Quelques semaines d'immobilisation, ou de
réduction de l'activité contractile d'un groupe musculaire, occasionnent généralement
des diminutions de 20 à 30% au niveau de I'activité de certains marqueurs du
potentiel oxydatif du muscle squelettique chez l'humain (Simoneau et al. 1987;
Wigerstad-Lossing et al. 1988). En plus d'avoir des répercussions importantes sur le
métabolisme énergétique du muscle, les propriétés tensiles et contractiles du muscle
sont également affectées. Une fonction musculaire adéquate dépend des facteurs
suivants: la proprioception, l'innervation motrice, la charge de travail, la mobilité
articulaire et le cycle contraction-étirement. De plus, il est bien connu qu'une atrophie
musculaire importante apparait rapidement à la suite d'une période d'inactivité. Le
degré d'atrophie et le temps de récupération sont influencés par I'âge, le sexe, la
durée de l'immobilisation, la position du muscle immobilisé, le degré de non-usage
par rapport à I'usage normal, le pré-traitement, la faiblesse ou l'atrophie antérieure, le
type de fibres musculaires et l'action du muscle (Wills et al. 1982).
Ainsi, une diminution majeure de la force musculaire de l'ordre de 3 à 4% par
jour se produit lors de la première semaine d'immobilisation (Appell 1990). La force
diminue principalement dans les muscles extenseurs comparativement aux muscles
fléchisseurs, et au niveau du membre inférieur par rapport au membre supérieur
(Bloomfield 1997). De plus, une atrophie de non-usage entraîne une transfomation
des muscles lents vers des muscles rapides et une atrophie sélective des muscles
lents au détriment des rapides se produit. Ainsi, les muscles antigravitaires, avec un
grand pourcentage de fibres lentes, monoarticulaires (soleus. vastus medialis) ou
pluriarticulaires(erector spinae, rectus fernoris) sont plus susceptibles de s'atrophier
(Lieber et al. 1988). Également, la perte de masse musculaire et la diminution de la
surface des fibres sont semblables a celle de la force. En effet, une diminution
marquée survient dans la phase initiale d'immobilisation, principalement au niveau
des muscles antigravitaires, pour ensuite s'atténuer progressivement après une
semaine. Chez le rat. cette perte équivaut à 30% après 3 jours et à 50% après 15
jours (Appell 1990).
D'un autre coté, l'atrophie du quadriceps résultant d'une inhibition réflexe peut
entraîner un délai dans le processus de réadaptation et même provoquer un
dérangement au niveau de la biomécanique de l'articulation patello-fémorale.
L'inhibition de l'activation des motoneurones alpha via le réflexe H peut être
provoquée par la douleur, un étirement ligamentaire, une compression capsulaire, un
déplacement articulaire ou la présence d'un processus inflammatoire (Iles et al. 1990;
Spencer et al. 1984; Stokes et Young 1984). Ainsi, le patient peut rapporter une
i
i comme un manque de contr6le sur le muscle et
incapacité a contracter le muscle o
peut présenter des difficultés a compléter les exercices tant que l'oedème ne s'est
pas résorbé (Spencer et al. 1984). Le volume de liquide nécessaire pour inhiber le
vastus medialis est de l'ordre de 20 à 30 ml, alors que celui-ci doit généralement
atteindre environ 50 à 60 ml pour le rectus fernoris et le vastus lateralis. L'inhibition du
quadriceps semble plus maquée en position d'extension du genou et immédiatement
apres une intervention chirurgicale (50-70%). pouvant atteindre jusqu'à 80% apres 24
heures et se maintenir pendant 3-4 jours. Du dixième au quinzième jour
postopératoire, il peut encore persister 3540% d'inhibition en dépit du fait que le
patient est en pleine mise en charge et présente moins de douleur (Stokes et Young
1984).
1.4 Protocoles postopératoires de réadaptation
Présentement, il existe de nombreux protocoles de réadaptation qui ont pour but
de minimiser les effets d'une diminution de l'activité contractile d'un muscle ou d'un
groupe musculaire. Une mobilisation précoce semble être une solution de rechange
car elle retarde la transformation des muscles lents vers des muscles rapides,
favorise un effet anabolique, prévient l'atrophie et assure une bonne orientation des
fibres. Toutefois, le retour à l'exercice doit être très progressif car, après 3 jours
d'immobilisation. le muscle est plus vulnérable aux dommages pouvant être causés
par la mobilisation par rapport à une période d'inactivité plus longue (Kauhanen et al.
1996). D'un autre côté, un étirement passif et des contractions isométriques ne
peuvent maintenir la concentration de mitochondries dans le muscle ce qui peut
affecter son poten$el oxydatif.
Les protocolesles plus fréquemment utilisés impliquent la réalisation d'exercices
de contractions volontaires isométriques ou isotoniques qui peuvent souvent être
difficiles à réaliser lorsque le muscle a de la difficulté à se contracter et que le
mouvement d'une articulation donnée est largement limité. De plus. il faut tenir
compte de la solidité et de la stabilité de la greffe qui a été réalisée. Lorsque la
fonction d'une articulation comme celle du genou doit être passablement restreinte. la
réalisation d'exercices de contractions musculaires induites par la stimulation
électrique peut être utilisée comme alternative (DeSio et Snyder-Mackler 1990;Gould
et al. 1982;Lieber et al. 1996;Qin et al. 1997).
1.5 Effets de la stimulation électrique sur le muscle squelettique
La stimulation électrique permet de stimuler de façon égale toutes les unités
motrices. et ce sans I'intewention du système nerveux central. Au contraire, lors de
contractions volontaires normales, il est impossible d'activer toutes les unités
motrices en même temps puisqu'elles sont recrutées de façon hiérarchique. Presque
tous les protocoles ayant utilisé cette modalité thérapeutique ont fait appel à la
stimulation électrique de haute fréquence (Le. environ 50 Hz). La répétition
d'exercices musculaires de courte durée et à haute intensité a toutefois le
désavantage de créer une fatigue musculaire importante qui apparaît très
rapidement. Par exemple. plus de 60% de la force maximale d'un muscle peut être
perdue après moins de 2 minutes de stimulation électrique à haute fréquence (e.g.
40Hz) (Pette et Simoneau 1990).Cette perte de force a vraisemblablement comme
effet de limiter la capacité de rééducation de l'ensemble du groupe musculaire affecté
par une réduction de son activité contractile puisque la majorité des fibres
musculaires ne peuvent être sollicitées par l'action de la stimulation électrique
neuromusculairetranscutanée (SENT) .
De plus. selon quelques études, les effets néfastes de l'inactivité sur le
métabolisme énergétique du muscle squelettique sont davantage perceptibles au
niveau des enzymes de la voie énergétique aérobie-oxydative, i.e. marqueurs
enzymatiques du cycle de Krebs, de la chaîne respiratoire ou de la O-oxydation. Afin
d'améliorer le métabolisme aérobie-oxydatif du muscle squelettique humain, un
entraînement physique approprié en endurance est efficace. Or, la SENT de haute
fréquence fait en sorte que la durée totale de l'ensemble des contractions
musculaires réalisées au cours d'une séance de stimulation est généralement
largement en-dessous du seuil requis pour reproduire le plus adéquatement possible
la quantité de travail journalier normal que peut accomplir un groupe musculaire tel
que les extenseurs du genou chez des gens non-entraînés (Monster et al. 1978).
Le recours à l'utilisation de la stimulation électrique de basse fréquence (clOHz)
permet de contourner ce problème puisque, dans ce cas, plusieurs heures de
stimulation quotidienne peuvent être réalisées de façon continue sans qu'une fatigue
musculaire importante ne soit observée. Les effets de la stimulation électrique de
basse fréquence (SEBF) sur le muscle squelettique sont largement documentés chez
les petits mammifères, mais un peu moins chez l'humain. Cette procédure
expérimentale est connue pour induire des changements significatifs au niveau de
nombreuses propriétés, qu'elles soient métaboliques. fonctionnelles ou moléculaires,
au niveau des muscles stimulés (Pette et Staron 1997; Pette et Vrbova 1992). Des
résultats obtenus chez des patients ne présentant aucune pathologie laisse entrevoir
la possibilité que la stimulation électrique de basse fréquence puisse avoir un impact
très significatif sur les processus de réadaptation musculaire. En effet, Scott et al
(Scott et al. 1985) ont utilisé un protocole de stimulation électrique variant entre 7 et
10 Hz et ont constaté une amélioration significative de la résistance à la fatigue du
groupe musculaire stimulé.
En accord avec cette étude, une augmentation
significative du potentiel oxydatif du muscle vastus lateralis (Gauthier et al. 1992)
ainsi que l'amélioration de la capacité de travail des muscles extenseurs du genou
(Thériault et al. 1996) ont été observées à la suite d'un protocole de stimulation
électrique étant à peu près du même genre. Des études réalisées dans notre
laboratoire ont démontré que la stimulation électrique neuromusculaire de haute
(Johnson et al. 1995) et de basse fréquence (Dufour et al. 1994; Néron et al. 1997)
diminuent significativement le contenu en glycogène des trois principaux types de
fibres musculaires (1, IIA et IlB). Ces données suggèrent ainsi qu'il n'y a pas de
recrutement préférentiel des fibres musculaires lors d'un tel protocole chez l'humain
et que les trois types de fibres sont recrutés de façon équitable.
Des recherches également effectuées dans notre laboratoire (Gauthier et al.
1992; Thériault et al. 1996; Thériault et al. 1994) ont démontré, à la suite de plusieurs
semaines de SENT au niveau des muscles extenseurs du genou de sujets
sédentaires, une augmentation significative de l'activité de certains marqueurs
enzymatiques du potentiel oxydatif, une diminution quoique faible de l'activité de
certains marqueurs du potentiel glycolytique et des changements dans la proportion
des différents types de fibres du muscle, particulièrement au sein des fibres de type
II. De plus, Thériault et al. (Thériault et al. 1994) ont rapporté une amélioration de la
résistance à la fatigue des muscles stimulés à la suite d'efforts physiques répétés.
une observation fréquente lonqu'un muscle est stimulé de façon chronique et a l'aide
d'une basse fréquence (Pette et Vrbova 1992).
1.6 Protocoles de stimulation électrique
II existe de nombreuses variantes quant à l'utilisation des protocoles de
stimulation électrique qui peuvent être proposés afin de réduire les conséquences
néfastes sur le muscle qui sont anribuables à la réduction de l'activité contractile
musculaire. Le choix d'un protocole doit se faire en respectant la physiologie de la
contraction musculaire et qui ont trait à la fréquence de l'impulsion générée au
muscle, à la durée de la contraction ainsi qu'aux phases de récupération et au
nombre de contractions à faire à l'intérieur d'une séance. Suite à la consultation des
paramètres utilisés par certains groupes de recherche, il est possible de dire que les
protocoles de stimulation électrique les plus fréquents préconisent de 2 à 3 séances
hebdomadaires de stimulation électrique de haute fréquence (entre 30 et 50
Hz)
incluant généralement 2 séries de 15 contractions, chacune des contractions étant
d'une durée de 15 sec et espacée d'une période de repos de 45 sec. Ces séances
sont également faites sous la supervision directe d'un professionnel de la santé.
Malgré cette pratique courante, et sur la base de nos travaux antérieurs, il était
prévisible de penser que des séances journalières de SEBF pourraient être utiles
dans un contexte de réadaptation musculaire. Pour vérifier cette possibilité. des
séances journalières de stimulation électrique émise à une basse fréquence (8Hz)
furent initiées 3 jours apres la chirurgie, à raison de 3 heures par jour. Les impulsions
électriques furent transmises pendant 8 semaines aux muscles extenseurs du genou
à I'aide d'électrodes adhésives (7,5 cm diamètre) placées sur la peau, et d'un
stimulateur portatif (RESPOND II, EMPI). Pour obtenir une efficacité adéquate, la
première électrode est placée à 5 cm au-dessus du genou. au centre, alors que la
deuxième est placée sur la face externe de la cuisse à 5 cm en dessous du pli
inguinal. Le stimulateur est programmé pour enchaîner des cycles de 55 secondes de
travail et de 2 secondes d'arrêt, cette période d'arrêt ne pouvant malheureusement
pas ëtre évitée avec ce genre de stimulateur. Le sujet procède à la stimulation de ses
muscles de façon autonome à raison de 2 séances de 90 minutes par jour. Le sujet
est libre de tout mouvement et peut vaquer à ses activités de la vie quotidienne tout
en faisant la stimulation.
Le choix de la fréquence de ce protocole de stimulation est basé sur une étude
révélant qu'une basse fréquence telle que 8 Hz est suffisante pour entraîner des
augmentations de 2 à 2.5 fois de la consommation d'oxygène de repos de
l'organisme (Néron et Simoneau 1994). En équivalent énergétique, 3 heures de
SEBF représente une dépense énergétique similaire à celle induite par 30 minutes
d'exercice sur ergocycle à une intensité d'environ 50% de la V02 max (Simoneau et
Bouchard 1989). En plus des sessions quotidiennes de stimulation à basse
fréquence, des séances de stimulation à haute fréquence (50Hz) ont été ajoutées au
protocole. Ces séances ont été amorcées 7 jours apres la chirurgie du genou et se
déroulaient 3 fois par semaine. Chaque session de stimulation incluait soit 15
contractions isométriques pour les 3 semaines qui suivaient. et 30 contractions
isométriques lors des 4 demières semaines du protocole. Le stimulateur fut
programmé pour offrir des séquences répétées de 15 secondes de contraction
chacune étant espacée d'un temps de repos de 45 secondes. Par précaution, le
genou opéré du sujet fut stabilisé à un angle de 40 degrés de flexion avec une
orthèse. L'emplacement des électrodes demeura le même pour l'une ou l'autre des
approches de stimulation. Une synthèse des effets de l'utilisation de tels protocoles
de réadaptation à la suite d'une reconstruction du LCA est présentée au chapitre 3 de
ce mémoire de maîtrise.
Cette première problématique nous a inciter à étudier dans un deuxième temps
l'étendue du phénomène de l'atrophie musculaire au niveau des muscles
stabilisateurs lombaires chez des personnes ayant réduit leur activité contractile
musculaire en raison de maux de dos.
2.0 Hernie discale et discoïdectomie
2.1 Épidémiologiede ce traumatisme lombaire
Selon des données rapportées voilà quelques années par Statistiques Canada,
les maux de dos constituaient la cause la plus fréquente d'indemnisation des
travailleurs (28%). D'après des statistiques transmises par la Commission de la
santé et de la sécurité au travail (CSST) en 1993, presque 60 % des lésions au dos
rapportées au Québec se situaient à la colonne lombaire. La durée moyenne
d'absence du travail attribuable aux maux de dos équivalait à 41 jours. soit un coüt
moyen d'indemnisation d'environ 2012s. Lorsque le problème est diagnostiqué
comme étant une hernie discale et qu'une discoTdectomie est nécessaire, la période
de retrait du travail peut fortement se prolonger (4-5 mois). La trop longue période
d'inactivité et d'incapacité ainsi que la douleur physique vécues par le travailleur
n'affectent pas seulement les chances de réinsertion dans le milieu de travail mais
aussi les chances de réinsertion sociale. IIest donc plus que nécessaire de tenter de
diminuer cette période d'inactivité en intervenant le plus tôt possible dans la phase
initiale de réadaptation. Réussir à diminuer les effets néfastes tant physiques que
psychologiques qui découlent d'une telle intewention chirurgicale et les coûts de
santé qui s'y rattachent est un objectif qui mérite d'être atteint dans les plus brefs
délais.
2 2 Physiopathologie reliée à l'hernie discale
L'hernie discale est probablement la pathologie dégénérative du rachis la plus
connue et ayant une incidence plus élevée entre 3545 ans. Certains facteurs sont
actuellement reconnus comme pouvant être une cause de l'apparition des
symptômes suite à la présence de dégénérescence rachidienne: l'obésité (Bôstman
1993; Deyo et Bass 1989). le stress, le tabagisme (Boshuizen et al. 1993; Deyo et
Bass 1989), un faible niveau d'activité physique et certaines exigences de travail à
savoir une position statique prolongée, la manutention de charges lourdes, l'action de
pousser ou de tirer, l'exposition aux vibrations ou un poste de travail inadéquat. IIfaut
par contre reconnaîtreque tous ces facteurs rapportés dans la littérature n'ont jamais
pu être reliés de façon scientifique à l'apparition clinique de la symptomatologie de ce
traumatisme rachidien.
La physiopathologie de I'hemie discale est le fait qu'une partie du disque fasse
hemiation à travers l'anneau fibreux postérieur survenant, dans la majorité des cas,
lors d'actes qui peuvent sembler aussi banals que d'éternuer, d'aller à la selle ou lors
d'un mouvement simple de torsion ou de flexion du tronc sans pour autant soulever
une charge quelconque. Du point de vue clinique. le patient peut rapporter de la
douleur au dos ou au niveau d'un membre inférieur présentant une étendue variable.
A cette douleur peuvent s'associer des symptômes neurologiques sous forme de
faiblesse etiou d'engourdissement. A l'examen clinique, les signes d'irritation
radiculaire suivants pourront se retrouver à savoir une hypoesthésie, une faiblesse et
une atteinte des réflexes dans un territoire correspondant à un dermatorne spécifique.
La sévérité de la lésion peut être variable. mais dans les cas graves ou récalcitrants,
une intervention chirurgicale est souvent nécessaire afin de corriger la situation.
2.3 Interventions chirurgicales pour traiter i'hernie discale
Le recours à une intervention chirurgicale se produit dans environ 10-20% des
cas selon les indications suivantes: une compression de la queue de cheval
(absolue). une douleur au dos, une sciatalgie, un déficit sensonmoteur ou réflexe. une
investigation radiologique complémentaire, un traitement conservateur innefficace
(relatifs) (Long 1992). Plusieurs techniques orthopédiques existent pour le traitement
d'une hernie discale et se regroupent dans deux grandes familles. La première
implique les traitements effectués selon une approche percutanée (e.g. injection
intradiscale de chymopapaine, discoidectomie percutanée par aspiration, par
curetage ou par laser) consistant à exciser une portion centrale du disque afin de
créer un vide pouvant favoriser la réaspiration du bombement discal. La seconde
implique des traitements effectués selon une approche ouverte (e.g. laminectomie,
microdiscoidectomie). Le principe de la discoidectornie ouverte eçt de pénétrer à
l'intérieur du canal neural dans le but de pouvoir enlever le fragment discal qui fait
pression sur la racine nerveuse. Un des inconvénients de cette approche réside dans
le fait qu'il faut endommager un certain nombre de structures majeures pour le rachis
à savoir les aponévroses postérieures, quelques groupes musculaires et certaines
structures ligamentaires.
Toutefois, l'innovation technique des 30 dernières années en terme d'éclairage,
d'équipements mieux adaptés ainsi que d'instruments plus spécialisés a permis aux
orthopédistes
de développer
une tecnnique
communément appelée
microdiscoidectomie. Cette technique, utilisant une loupe avec éclairage frontal ou
encore un microscope avec éclairage coaxial et consistant à enlever uniquement la
partie herniée du disque intervertébral ainsi que les fragments qui peuvent s'être
logés dans le canal rachidien, permet de faire des incisions beaucoup plus courtes
dans l'aponévrose et le ligament jaune et de désinsérer moins de muscles
paraspinaux et ce, au niveau du segment vertébral touché seulement. II s'agit aussi
3our le chirurgien d'enlever le moins de disque possible afin de garder une certaine
fonction discale et ainsi prévenir une dégénérescence au niveau des éléments
postérieurs. Cette technique minimise les risques d'infection, diminue le temps
d'hospitalisation et favorise une récupération plus rapide (Kahanovitz et al. 1989).
2 4 Suivi postopératoire
Après une discoidectomie et une courte période d'hospitalisation. le patient
s'astreindra pendant plusieurs semaines à des activités physiques très limitées et
devra suivre plusieurs semaines de réadaptation. Afin d'éviter les complications de
type embolie. une mobilisation précoce des patients doit être initiée le plus tôt
possible (le jour même de l'opération). D'un autre côté, deux changements majeurs
surviennent suivant l'opération: une instabilité et une diminution de le hauteur du
segment vertébral dues à une perte du contenu discal (Goel et al. 1985). et une adhésion du tissu cicatriciel au site opératoire. La formation de tissu cicatriciel peut être
prévenue par une approche chimrgicaie minutieuse et la plus atraumatique possible.
De plus, la réalisation d'exercices d'étirement des muscles de la chaîne postérieure et
le retour à une fonction musculaire appropriée offrant un suppo:: naturel à la colonne
lombaire s'avèrent impératifs afin de minimiser les effets néfastes reliés à ces
changements. Ainsi, aucune restriction franche ne semble être nécessaire à la suite
d'une telle intervention, il faut toutefois s'assurer que les mouvements réalisés par le
patient soient faits avec précaution (Carragee et al. 1996).
2.5 Anatomie et fonction musculaire de la région lombaire
L'amplitude et le type de mouvement possibles à chaque segment vertébral sont
contrôlés en partie par les facettes articulaires. le disque, les ligaments et les
muscles. Les muscles principalement actifs au niveau lombaire sont les muscles
erector spinae (Iongissimus et iliocostalis) et le muscle multifidus lequel fait I'objet de
la deuxième étude de ce mémoire de maîtrise.
Le rnuscle multifidus, le plus près de la colonne vertébrale, est localisé en
profondeur et s'étend de la deuxieme vertèbre cervicale au sacrum tout en étant plus
volumineux au niveau lombaire. C'est un rnuscle polysegmentaire composé de
fascicules longs et courts onginant du processus épineux des vertèbres et s'insérant
avec une certaine obliquité au niveau du processus mamillaire de la vertebre
inférieure, de l'épine iliaque postéro-supérieure et du sacrum (Maclntosh et Bogduk
1986; Macintosh et Bogduk 1987).
La principale action du multifidus consiste à contrôler de façon excentrique le
mouvement de bascule postérieure de la vertebre lors des mouvements d'extension
et de flexion du tronc. De plus, par sa contraction, il augmente la force de
compression exercée sur le segment vertébral en particulier sur le disque
intervertébral venant ainsi ajouter un élément de stabilité à la colonne lombaire.
Ainsi, une atteinte du muscle multifidus peut avoir un effet direct sur la stabilité de la
colonne lombaire en particulier si la personne souffre en plus de douleur au dos.
2.6 Atrophie musculaire au niveau de la région lombaire
Une étude récente réalisée chez des patients souffrant d'un premier épisode
(aigü ou subaigü) de douleur lombaire unilatérale a démontré une dysfonction
segmentaire très localisée du multifidus. En effet. une atrophie rapide de ce muscle a
été observée par échographie et ce. ipsilatéralement à la localisationdes symptômes
(Hides et al. 1994). De plus, une autre étude. utilisant également des images
échographiques, a démontré qu'une asymétrie majeure des muscles multifidus se
situait au niveau du disque vertébral L5 chez la majorité des sujets souffrant d'un
premier épisode aigu de douleur lombaire (tel que démontré par la figure 1) et que
cene atrophie ne disparaît pas de façon spontanée avec la rémission des symptômes
(Hides et al. 1996).
Niveau vertébral
Figure 1. Différence (exprimée en %) entre la surface des muscles multifidus gauche
et droit mesurée par échographie ( adaptée de Hides et al., 1996).
D'autres résultats provenant d'une étude réalisée à partir de biopsies du muscle
multifidus obtenues au cours d'une chirurgie discale ont démontré des changements
pathologiques au niveau des fibres musculaires. En effet. la présence de fibres
tachetées blanches et de fomes irrégulières (moth-eaten, core-targetoid) peut ëtre un
signe d'atrophie musculaire ou de dénewation chez des patients présentant une
bonne récupération (Rantanen et al. 1993). Ainsi, certains auteurs ont rapporté que
les patients souffrant d'hernie discale présentent une atrophie préférentielle des fibres
musculaires de type II (Mattila et al. 1986; Rantanen et al. 1993; Zhu et al. 1989) au
niveau des extenseurs lombaires et, conséquemment, une diminution du volume de
la masse de ce groupe musculaire (Parkkola et al. 1993). De même, des
changements dans le contenu en tissu conjonctif du muscle multifidus chez des
patients souffrant d'une hernie discale peuvent entraîner une dysfonction musculaire
et nuire à la réadaptation des patients à long terme (Lehto et al. 1989).
Dans le même ordre d'idées. Sihvonen et collaborateurs (Sihvonen et al. 1993)
ont démontré, à I'aide d'images de tomodensitométrie axiale, qu'une atrophie
marquée des muscles paraspinaux existe chez des patients dont les symptômes
persistent après 2 à 5 ans suite à une laminectomie. Bien que la laminectomie a
pratiquement été remplacée par la microdiscoidectomie, une technique opératoire
beaucoup moins invasive, il n'existe pas à notre connaissance d'études démontrant
que des patients discoidectomisés sont susceptibles de presenter des signes
d'atrophie musculaire dans les mois suivants la chirurgie. Donc, le but de la deuxième
étude de ce mémoire de maîtrise était de quantifier, à I'aide d'images obtenues par
résonance magnétique. les changements dans la masse d'un des muscles
extenseurs lombaires. i.e. le multifdus, chez des patients discoidectomisés. La
raison majeure de cette étude était aussi de vérifier si la stratégie de réadaptation
post-discoïdectomie actuellement préconisée par les intervenants impliqués dans ce
secteur se doit d'être améliorée.
EFFECTÇ OF ELECTRICALSTIMULATION ON QUADRICEPS MUSCLE MAÇÇ
FOLLOWING RECONSTRUCTION OF THE KNEE ANTERIOR CRUCIATE LIGAMENT
Hélène Morinl. Marie DufouP. François MorinJ, Germain Thériault4, and Jean-Aimé
Simoneau1
Division of Kinesiology, Department of Social and Prevïntive Medicinei, Department
of Radiology St-François D'Assise HospitaP, Department of Orthopeadics Laval
University Hospital Center3 and Department of Physical Educationd Laval University.
Ste-Foy, Québec, Canada,
Address Correspondenceand reprint request to: Jean-Aimé Simoneau, Ph. D.
Associate Professor of Medicine; Division of Kinesiology. Department of Social and
Preventive Medicine, Faculty of Medicine, PEPS, Laval University. Ste-Foy, Québec,
G1K 7P4, Canada (418-656-2392phone; 418-656-2441 fax; [email protected]; email).
L'objectif de cette étude était d'examiner I'utilié de deux protocoles de stimulation
électrique (SE) impliquant des séances de hautes ou de basses fréquences dans le
but de minimiser I'atrophie musculaire du quadriceps qui apparaît habituellement à la
suite d'une reconstruction du ligament croisé antérieur (RLCA). Débutant trois jours
suivant la chirurgie, les muscles du quadriceps d'un premier groupe de patients
(n=10) ont été soumis à 54 séances quotidiennes de 3 heures de SE à 8 Hz ainsi
qu'à 21 séances de SE à 50 Hz. Ces séances de SE de haute fréquence ont débuté
au 7e jour après l'opération et duraient de 15 a 30 min à raison de 3 fois par semaine.
La SE était transmise a I'aide d'électrodes adhésives et d'un stimulateur portatif de
type Respond II. Pour le deuxième groupe de patients (n=7), les muscles du
quadriceps ont été soumis aux séances de stimulation à basse fréquence seulement.
Des mesures de la surface du muscle quadriceps ont été estimées à partir de
données anthropomé-triques et calculées de façon plus précise a I'aide d'images de
résonance magnétique (IRM) réalisées au niveau des membres inférieurs sain et
opéré avant et 8 semaines apres la RLCA. Le volume total et le volume de la masse
maigre de la cuisse du côté du genou opéré, mesurés de façon anthropométrique
avant et 8 semaines apres l'opération, étaient semblables pour les deux groupes. Du
côté du genou reconstruit, une faible perte (environ 10%) quoique statistiquement
significative (pc0,05) fut observée au niveau du volume du quadriceps chez les 2
groupes de patients. Le volume du quadriceps passa de 777k68 cm3 à 648k45 cm3
pour le premier groupe et de 79&58 cm3 à 708k65 cm3 pour le second. Aucm
changement de volume n'a été décélé du côté du genou non-opéré au niveau du
quadriceps dans les 2 groupes. Ces résultats suggèrent que des séances
quotidiennes de stimulation électrique à basse fréquence s'avèrent efficaces pour
maintenir la masse du quadriceps suite à une RLCA et que l'ajout de séances de
stimulation à haute fréquence ne semble pas justifie.
ABSTRACT
The purpose of the present study was to investigate the usefulness of lowfrequency (LF) and high-frequency (HF) electrical stimulation (ES) protocols in the
prevention of quadriceps muscle (QM) wasting after knee anterior cmciate ligament
reconstmction (ACLR). Starting three days after ACLR, QM of 10 patients received 54
daily sessions of ES delivered 3 h/d at 8 Hz (LF) and 21 sessions of ES delivered 15
to 30 minld 3 times per week at 50 Hz (HF) with the use of a portable Respond Il
stimulator and adhesive electrodes. QM of the other group of patients (N=7) only
received the 54 LFES sessions. Measurements of thigh muscles determined by
surface anthropometry or magnetic resonance imaging (MRI) were taken from the
uninjured and injured limb bsfore and 8 weeks after ACLR. Pre and post-values of
total and fat-free mass volumes of the thigh of the operated knee did not differ for
both stimulation groups. At the ACLR knee side, a small but significant (pc0,05) loss
of 10 % in QM volume was seen in both groups of patients. QM volume decreased
from ïïï?r68 to 648k45 cm3 in the first group and from 7 9 W 8 to 708355 cm3 in the
second group. No significant change was found in the QM volume of the normal leg in
both groups of patients. These results suggest that the consequences of daily
sessions of LFES are beneficial and favor the maintenance of QM mass in ACLR
patients and that the addition of HFES sessions does not seem to be warranted under
these circomstances.
INTRODUCTION
It is quite frequent to hear that amateur or professional athletes competing in sport
events that are at high risks for lower limb injuries need to restrain their physical
activities since they are suffering from a complete anterior cruciate ligament (ACL)
tear. It is now common to reconstwct this ligament with a portion of the patellar
tendon in order to prevent the appearance of important knee joint damage or
instability over the years (O'Brien et al. 1991), but one consequence of that surgery is
that the patient has to restrain, at least during the first 2 months, regular practices of
physical activities. Several weeks of interruption in training or of restricted muscular
activity have, however, harmful effects on several skeletal muscle characteristics.
Among these effects are the well characteriied 20 to 30% reduction in muscle
cross-sectional area, limb volume or muscle fiber area (Bloomfield 1997).
One of the major goal of the rehabilitation procedures following an ACL
reconstruction is to prevent the appearance of muscular atrophy. However, since it is
difficult to use voluntary and intense knee extension and flexion exercises during the
early phase of rehabilitation following an ACL reconstruction, there is a need to
develop new therapeutic strategies that should help prevent the deterioration of
skeletal muscle mass that is generally appearing within a few weeks after the surgery
(Haggmark et al. 1981; Jansson et al. 1988). Other potential approaches could be the
use of transcutaneous neuromuscular electrical stimulation (NMES) since it does not
require any voluntary efforts and can be easily and safely applied to a muscle mass
such as the knee extensor muscles.
Some experiments have been done to document the effects of NMES on
characteristics of healthy human skeletal muscle (Deiiio et al. 1988; Scott et al. 1985;
Snyder-Mackler et al. 1991) or to test .ts usefulness during post-traumatic conditions.
Although there are still controversies. previous studies have reported that the use of
NMES (particularly high-frequency electrical stimulation) was beneficial for patients
who had undergone an ACL reconstruction. For example. it was shown that 3 to 5
sessions per week of high-frequency (i.e. greater than 30 Hz) electrical stimulation
were able to minimize the appearance of muscular atrophy, detemined with the use
of computerized tomography scans. in individuals exposed to a penod of reduced
contractile activity (Wigerstad-Lossinget al. 1988).
There are, however, some disadvantages to use a rehabilitative protocol involving
high-frequency electrical stimulation sessions since they can impose an excessive
stress on the operated structure. particularly if stimulation-induced open kinetic chain
knee exercises are done (Bouchard et al. 1993). To reduce the likelihood of injury to
the knee joint, extemal stabilization of the knee is oiten assured by orthotic devices or
knee braces during the treatment. Moreover, during a session of high-frequency
electrical stimulation that is typically used in rehabilitative medicine (15 contractions of
15 sec on and 45 sec off), the total amount of efficient contraction delivered to the
restricted muscle groups lasts not more than a few minutes. This amount of
contractile activity is far from that recorded from the vastus lateralis muscles during
the normal daily activities of normal ambulatory individuals (Monster et al. 1978). To
replace such activity, another approach would be to use sessions of low-frequency
(less than 10 Hz) electrical stimulation since muscle contractions induced under this
condition mimic low intensity exercises and, in addition. can be sustained several
hours per day without exhibiting any major sign of muscle fatigue. Another favorable
argument is the fact that several weeks of daily low-frequency electrical stimulation
are able to alter the histochemical, biochemical and functional characteristics of the
knee extensor muscles in humans (Gauthier et al. 1992; Thénault et al. 1996;
Thénault et al. 1994) and these changes are similar in magnitude but opposae in
direction to those generally observed after muscular disuse. Because of these
advantages, it was hypothezised that a rehabilitation protocol involving daily sessions
of low-frequency electrical stimulation would be sufficient, compared to a protocol
involving both low- and high-frequency electrical stimulation sessions, as a
complementary therapeutic tool, to limit the commonly observed atrophy of the knee
extensor muscles when no early intervention are undertaken after ACL
reconstruction. Therefore, the purpose of the present study was to investigate the
impact of two protocols of transcutaneous electncal stimulation (one with only daily
sessions of 8 Hz NMES and the other with daily sessions of 8 Hz as well as weekly
sessions of 50 HZ NMES) on the knee extensor muscle mass following an antenor
cruciate ligament reconstruction.
METHODS
Subjects
Seventeen patients, 10 men and 7 women (25k7 years, 7&15 kg of body weight,
and 175Ic8 cm of body height) with ruptured ACL participated in the study. The nature
and purpose of the study were explained to the subjects and their voluntary consent
was obtained. All procedures were approved by the Medical Ethicç Committee of Our
institution. The same ACL reconstruction procedure, using the central third of the
patellar tendon with bcne grafts from the tibia and the patella, was done for each
patient and performed by the same surgeon following the surgical principles
described previously (Clancy et al. 1982; O'Brien et al. 1991). The size of the patellar
bone graft resembled to that described by DeLee and Craviotto (DeLee and Craviotto
1991) or was even smaller when possible (e.g. about 0.5 cm x 1 cm x 2.5 cm).
Post-surgery rehabilitation prograrn
The operated knee was kept irnmobilized in full extension for the first 24 hours
following surgery. Weightbearing was done as tolerated without a knee brace at home
and with a blocked knee brace elsewhere for the following 6 weeks. Passive and
active knee flexions and extensions were started on the second day after
reconstruction and perfonned daily for 6 weeks. These exercises normally allowed the
range of motion of the knee joint to reach at least 90 degrees within the first 3 weeks.
The first 8 weeks of rehabilitation included graded isometric, proprioceptive and
close-kinetic chain exercises. After the third week, 3 weekly sessions of 20 minutes of
unloaded ergocycle exercises were performed using both legs. After the fourth week
and up to eight week, the ergocycle sessions were done at a workload inducing a
heart rate of about 150 beatdmin. AI1 patients were regularly and closely supe~ised
during their treatments by the physical therapist assigned to the project.
Stimulation procedures
The knee extensor muscles of a group of 10 patients were submitted to sessions
of both low-frequency (8 Hz, 2 daily periods of 90 min) and high-frequency (50 Hz, 3
weekly sessions of one (from week 2 to week 4) or two (from week 5 to week 8)
series of 15 stimulation-induced contractions lasting 15 sec and interspaced by 45
sec of rest. The knee extensor muscles of another group of 7 patients were submitted
to sessions of low-frequency (8 Hz, 2 daily periods of 90 min) electrical stimulation.
The sessions of transcutaneous NMES were delivered to the knee extensor muscles
with the use of a Respond II battery-powered portable stimulator and two 3-inches (or
7 cm) round and adhesive electrodes. One (the cathode or active electrode) of the
electrodes was placed at about 3 inches (or 7 cm) over the patella, i.e. approximately
where the motor point of the vastus medialis muscle is. Because of the size of the
electrodes, this position is also close to the motor point of the rectus fernoris. The
motor points are on average the closest area of the skin to the nerve end-plates
throughout the muscle cross-sectional area. The second electrode was placed over
the proximal part of the vastus lateralis, i.e. at about 3 inches (or 7 cm) lower than the
ilioinguinal ligament. Low-frequency stimulation was applied to the knee extensor
muscles of the reconstructed knee 3 days after surgery without the use of a knee
brace. Due to the fact that no tetanic muscle contraction is induced during such
stimuiation, although a very visible vibration of the knee extensor muscles can be
seen, each patient was able to undertake their normal, although limited, daily tasks
during stimulation. The first session of high-frequency electrical stimulation was
applied 7 days post-operatively to the knee extensor muscles of the reconstructed
knee. During these stimulation-induced muscle contractions. the patients adopted a
standing position on one leg (their operated limb) positioned and braced at a knee
angle of 40' in order to prevent shear forces at the knee level. Each high-frequency
electrical stimulation session was done under direct supervision.
Anthropometry
Anthropometric measurementswere collected from both legs before and after the
stimulation protocol. Thigh lengths, circumferences and skinfold thicknesses were
obtained in order to estimate thigh total and fat-free rnass volume as well as
quadriceps muscle mass according to the truncated cone equation (Jones et Pearson
1969: Saltin 1985).
Determination of the quadriceps muscle area
Magnetic resonance imaging (MR!) was used to determine average knee extensor
muscle cross-sectional area (CSA) before surgeiy and afler the stimulation protocols.
Proton MR images were collected using a 1.5 Tesla superconducting magnet
interfaced with a General Electric Signa imaging system
(G.E.,Milwaukee. WI).
Single echo transaxial images (TRITE = 2000185) were obtained from both lower
limbs using the Signa sysism whole body coil. Five-millimeter-thickimage slices were
collected at 15 and 30 cm above the patella. Following manual adjustements, muscle
CSA of the vastus medialis, vatus intermedius, rectus femoris, and vastus lateralis
were calculated by integration over the defined region of interest. Image CSA was
converted frorn pixels to cm2 using the field of view imaging parameter.
Statistics
Two-way analysis of variance (ANOVA) for repeated measures using a nested
design were used to verify and compare the consequences of both protocols on the
anthropometric characteristics and volume of the quadriceps muscles of the
reconstructed and normal knee sides.
RESULTS
Total and lean-tissue volumes of the thigh muscles of the uninjured and injured
knees before and aiter the rehabilitationprotocol are shown in Figure 1. Differences in
total thigh volume of the uninjured and injured knees before surgery were as low as
2.3% and 3.0% in men, and 1.0% and 3.9% in women. respectively (not shown).
Similar results were observed for lean-tissue thigh volumes. These differences were
not significantly different when results of men and women were analyzed separately
or when considered as a whole group. Considenng that both men and women
participated in the present study, anthropometric values of the thigh muscles were
similar to those previously reported (Jones and Pearson 1969; Saltin 1985). In this
Figure, pre and post anthropometric measurementsof the operated and normal knees
for both stimulation groups are shown. No difference was observed between both
legs and protocols in thigh total volume, thigh fat-free mass volume and estimated
quadriceps muscle mass.
Insert Figure 1 about here
Cross-sectional areas measured at 15 and 30 cm above the patella were used for
the calculation of the volume of the four rnuscles of the quadriceps (i.e. vastus
medialis, vastus intemedius, vastus lateralis and rectus fernoris) and are presented in
Table 1. Among these muscles and for both protocols, a reduction in volume was
significant for the vastus intermedius and the vastus medialis, but not for the vastuç
lateralis and rectus femoris, of the operated knee side. The volume of these four
muscles remained unchanged in the unaffected knee.
lnsert Table 1 about here
Figure 2 shows the total volume of the quadriceps muscle (i.e. from crosssectional values measured by MRI at 15 and 30 cm above the patella) for the
operated and normal knee sides before the surgery and after the 2 protocols. A l o s
of only 10% in quadriceps muscle volume of the operated knee side was seen after
both stimulation protocols while there was no change in the non-operated knee side.
Insert Figure 2 about here
DISCUSSION
Because of the harrnful consequences of a major knee injury, orthopaedic
surgeons, physical therapists, and sport coaches are preoccupied to develop efficient
rehabiliation strategies. For athletes who would like to retum to their previous level of
activity with little or no functional disability. reconstruction of the anterior cruciate
ligament is recommended, but the patients have to be aware that several months of
rehabilitation are requested before return to full physical activities. Although major
progresses have been done over the past 10 years in rehabilitation strategies
following this surgery. atrophy of lower limb muscles, particularly knee extensor
muscles, remains to be one of the major problems to overcome.
Cast immobilization is not anymore a necessity following ACL reconstruction. but
nonetheless, muscular function of the patients is quite impaired because of possible
post-surgery joint effusion or the fearfull nature of the patients to execute strenuous
contractions. The first weeks of rehabilitation following knee joint surgery are of
upmost importance since muscle atrophy takes place rapidly. Arvidsson et al.
(Arvidsson et al. 1986) have shown that at least half of the reduction (-39% in men
and -33% in women) in vastus lateralis muscle fiber area measured 6 weeks following
ACL reconstruction was already in place after only 1 week postoperatively. Although
agressive patellar rnobilization is now adopted and full restoration of range of knee
motion is norrnally achieved within 2 to 3 weeks, it is very difficult to prescribe
volitional physical exercises of enough intensity capable to prevent muscle atrophy
since the joint function is significantly restricted during this early rehabilitation phase.
It is mainly for this reason that muscle transcutaneous NMES has been considered as
an adjunct tool for immediate therapeutical intervention on the muscle groups that are
recognized to be affected by reduced contractile activity.
In the field cf physical therapy, it is generally recognized that NMES can retard
muscle wasting during denervation or immobilization and can optimize recovery of
muscle strength dunng rehabilitation (Hainault and Duchateau 1992). Different
protocols involving various frequencies, intensities, and durations of neuromuscular
electrical stimulation were used following ACL reconstruction. In general. affected
muscles are exposed at 3 to 4 weekly sessions of 15 to 30 stimulation-induced
contractions generated at frequencies greater than 30 Hz for 4 to 6 weeks. Results
are controversial, however and it is possible to find studies which demonstrated the
merit of including muscle electncal stimulation during rehabilitation whereas others
have shown more modest benefits if not at all. For instance, Arvidsson et al.
(Arvidsson et al. 1986) have shown that with $=ries of 40 Hz stimulation-induced
contractions performed approximately 1.5 hours per day, 7 days per week for 6
weeks, decrement in the size of the vastus latefalis rnuscle fiber area of stimulated or
control groups was different in women (-5% vs -33%) but not in men (-29% vs -39%).
Skeletal muscle induced-contractions by high-frequency electrical stimulation (Le.
about 40 Hz) are, however, susceptible to develop fatigue within a few minutes
(Edwards 1983). Thus, the amount of efficient muscular contractile activity is low (i.e.
about 4 min) and is undoubtedly far from the amount of normal muscle activity of the
thigh muscles that was previously reported over a period of 8 hours in health:?
individuals (Monster et al. 1978). The protocol used in the present study was
designed to favor long-term muscle fiber recruitment (Le. 2 penods of 90 min per day)
with the use of low-frequency electrical stimulation. Our previous observations
revealed that 6 weeks of 3 hours per day of low-frequency electrical stimulation were
sufficient to modify the metabolic profile (Gauthier et al. 1992) and resistance to
fatigue (Thériault et al. 1994) of knee extensor muscles in healthy subjects. We were
also able to show that an acute session of low-frequency elec+ricalstimulation elicited
recmitment of slow-twitch or type 1 fibers as well as the subgroups of type II or
fast-Witc fibers (Dufour et al. 1994). Accordingly, it seems that there are advantages
to incorporate sessions of low-frequency electrical stimulation within a rehabilitation
program designed to restore the function of a muscle group restricted in its muscular
activity.
Different anthropometric measurements were used in the present study to
investigate the changes in thigh muscle mass following the rehabilitation protocolç.
No detectable change in thigh volume was o b s e ~ e dwith the most simple technique
used which consisted in measuring thigh length and circumferences and skinfold
thicknesses with conventional anthropometric tools. Contrary to the results obtained
with these measurernents, a small 10% but statistically significant reduction in thigh
muscle rnass was detected with magnetic resonance. Although qb:i .\ expensive, this
equipernent has the capacity to generate highly defined and precise images of
different structures including rather small muscle groups. According to Beneke
(Beneke et al. 1991), MRI is especially useful for measunng sofi tissues such as
sksletal muscle because: (a) it provides high contrast between fat, ligaments, vessels
and muscles; (b) cross-sectional planes can be obtained regardles of the ski11 of the
researcher; (c) a device for obtaining the picture which reveals the surface of the
cross-section of the limb is not necessary; and (d) there is no ionizing radiation
(Housh et al. 1995). The results of the present study obtained frorn the unoperated
knee side, in both protocols. cleariy revealed that it is possible to reproduce with a
high degree of precision cross-sectional area or volume of the four quadriceps
muscles even though these measurements were done 8 weeks apart. Even if a gain
in precision was obtained. the magnitude of changes in thigh muscle mass of the
operated knee side was the same even though low-frequency electrical stimulation
sessions were used alone or in combination with high-frequency electrical stimulation
sessions. Because of this absence of difference between the two protocols of
rehabilitation, it suggests that HFES sessions, which require the stabilization of the
knee with an orthopedic device and are often made under close supervision, does not
seem to be warranted if the purpose is to attempt to preserve the knee extensor
muscle mass following ACLR.
In conclusion, the present study demonstrated that it is possible to substantially
preserve the rnass and volume of the knee extensor muscles during the early phase
of rehabilitation (Le. 8 weeks) following ACLR. Although a small reduction was still
observed, the rehabilitation protocol involving sessions of 3 hours per day of LFES
appears to be sufficient an6 favors a positive outcome during the early phase of
rehabilitation following this knee surgery. Thus. because low-frequency electrical
stimulation sessions greatly simplify the compliance of the patients compared to a
protocol combining both low-frequency and high-frequency electrical stimulation
sessions, this therapeutical strategy should be recommended dunng the early phase
of rehabilitation following ACLR.
Acknowledgements
The authors would like to thank DE Dany Saucier and Isabelle Côte for their
assistance in the supervision of the patients.
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Table 1. Volume of thigh muscles (cm3) before surgery and after electrical stimulation
for the operated and normal knees
OPERATED
PRE
Vastus intemedius 229.i46
POST
209?54'
Data are expressed as rnean ISD
' ps0.05
" ps0.01
NORMAL
PRE
POST
243I47 261k34
OPERATED
PRE
21*75
POST
177k48 '
NORMAL
PRE
POST
21597
206i67
FIGURE HEADINGS
Figure 1. Total volume (A) and fat-free m a s volume (B) of the thigh, and estimated
quadriceps muscle m a s (C) of the operated (0) and normal (N) knees before surgery
and aiter both protocols of electrical stimulation.
Figure 2. Quadriceps muscle volume of the operated (0) and normal (N) knees before
surgery and after both protocols of electrical stimulation.
IPre
Post
HLF
Figure Morin et al
IPre Cl Post
HLF
Figure 2 Morin et al.
54
Changes in lumbar extensor muscle mass following discectomy
Hélène Morinl. Marie DufouP. Patrice MontminyJ, Jean-François Roy3and
Jean-Aimé Simoneau1
Division of Kinesiology. Department of Social and Preventive Medisinel, Department
of Radiolody 2,and Department of Orthopeadics3, St-François D'Assise Hospital.
Laval University, Ste-Foy, Québec, Canada,
Running title: Lumbar multifidus wasting and discectomy
Address Correspondence and reprint request to: Jean-Aimé Simoneau, Ph. D.
Associate Professor of Medicine; Division of Kinesiology, Department of Social and
Preventive Medicine, Faculty of Medicine, PEPS, Laval University, Ste-Foy, Québec.
G1K 7P4, Canada (418-656-2392 phone; 418-656-2441 fax;
[email protected]; email).
L'objectif de cette étude était de quantifier, à l'aide de i'imagerie par résonance
magnétique (IRM), les changements dans la masse des muscles extenseurs
lombaires suite à une discoidectomie. Sept patients ayant subi une
microdiscoidectomie au niveau des espaces inter-vertébraux L4-L5 ou L5-SI ont
participé à cette étude. L'âge, la taille et le poids des sujets étaient de 37 f 5 ans
(Moy t ET). 170 i 7 cm et 74 f 14 kg, respectivement. L'IRM fut effectuée au niveau
des disques L3-L4 et L4L5 avant I'opération. après 4 et après 8 semaines suivant la
chirurgie. L'IRM a permis de mesurer la surface des muscles multifidus du côté opéré
(OP) et non-opéré (NOP). Aucune modalité thgrapeutique n'a été appliquée pendant
l'expérimentation, si ce n'était que les patients devaient faire des exercices
d'étirement des muscles de la chaine postérieure et réaliser une marche d'environ 15
min par jour. La surface des muscles multifidus des côtés OP et NOP était similaire
avant et après l'opération au niveau de l'espace discal L3-L4 (Pre500 mm2, 4
sem:492 mm2 et 8 sem:522 mm2) chez l'ensemble des sujets. Par contre, une
diminution significative (p<0,05) de la surface des muscles multifidus de la région
L4-L5 fut observée après 4 semaines (-61 mm2 ou -9%) alors que cette même masse
musculaire fut légèrement réduite, quoique de façon non significative pour I'ensemble
des patients 8 semaines apres la chirurgie (-36 mm2 ou -5%). Toutefois, cette
réduction de la masse musculaire 8 semaines après I'opération était plus évidente
chez presque la moitié des patients, alors que ce n'était pas le cas chez les autres.
Ces résultats suggèrent que des signes d'atrophie à un niveau particulier des
muscles extenseurs lombaires apparaissent 4 semaines apres une
micro-discoTdectomie. Compte tenu que cette atrophie musculaire persiste chez
certains patients 8 semaines après l'opération. il est possible que ces individus soient
moins aptes à récupérer à la suite d'une telle intervention et qu'une réadaptation
thérapeutique serait. pour ces patients. probablement bénéfique.
Mots clés: muscles extenseurs lombaires. résonnance magnétique, discoidectomie.
réadaptation.
The purpose of the present study was to quantify the changes in lumbar extensor
muscle m a s using magnetic resonance imaging (MRI) following discectomy. Seven
patients who had a surgery at the L4-L5 or L5-SI lumbar intersegmental levels have
participated in the study. MRI images were made at the L3-L4 and L4-L5 lumbar disc
and were obtained before, and 4 and 8 weeks after the surgery. Multifidus muscle
cross-sectional area at these two levels were measured for the operated (OP) and
nonoperated (NOP) sides. During the experimentation patients were asked to only
stretch their back and walk for about 15 min daily. The rnultifidus muscle area at the
level of L3-L4 for both OF and NOP sides was similar before and after surgery. The
multifidus muscle area at the level L4-L5 for both OP and NOP was significantly
(pe0.05) reduced after 4 wks (-61 mm2 or -9%) but this reduction did not reach the
significant level at 8 weeks (-36 mm2 or -5%). A close look at the data revealed that 3
patients were afflicted by a persistant lost of iïïcat,ia mass 8 weeks after surgery,
while in the others they completely recovered their initial muscle mass value. Thus,
these results suggest that atrophy of the lumbar extensor muscles at a particular level
is nonally seen 4 weeks after a partial discectomy. Considering that 8 weeks after
surgery, muscular atrophy of the rnultifidus still persists in some patients, it is most
likely that a certain percentage of the population does not easily recover after a
microdiscectomy and that for them a more agressive rehabilitation program could be
of some help.
Key Words: lumbar rnult~2dusmuscle, discectomy, magnetic resonance imaging,
rehabilitation.
The lumbar back muscles exert considerable control over the active range of
lumbar movement.
Erector spinae and lumbar multifidus (LM) are principally
responsible for the extension movements by active contraction and by exerting an
eccentric control on movements that are gravity-assisted. In exerting this control.
these muscles tend to restrict the total range of motion that the joints and ligaments
would allow, pariicularly in the sagittal plane. LM has the greatest potential to provide
dynamic stability to the motion segment in the neutral zone, and the neutral zone can
be returned to within physiologie lirnits by effective muscle control (Goel et al. 1993;
Kaigle et al. 1995; Panjabi et al. 1989; Wilke et al. 1995). Futhemore, LM has an
important stabilizing fundion by contributing to about 66% of the contraction exerted
by the extensor lumbar muscles at the segmenta1level of L4-L5 (Wilke et al. 1995).
Recent studies have shown localized segmental wasting on the multifidus muscle
to occur after a first episode of acute or subacute, unilateral low back pain. Rapid
multifidus atrophy was demonstrated ipsilateralto the location of pain with ultrasound
imaging (Hides et al. 1994). Another study, also using ultrasound imaging, reported
that multifidus muscle recovery does not occur spontaneously on remission of painful
syndromes and, that for the majority of patients, the vertebral level with the greatest
asymmetry was at the level of the L5 disc (Hides et al. 1996).
Another research conducted by Sihvonen and CO-workers(Sihvonen et al. 1993)
reported that prominent lumbar paraspinal muscle atrophy measured by CT scans
persists in patients who still have clinical symptoms 2 to 5 years after their
laminectomy. Although, partial discectomy is frequently used for patients with
herniated disc, there is no evidence, to Our knowledge, that these patients would have
signs of lumbar extensor muscle atrophy after a few months following such a surgery.
The purpose of this study was to quantify to which extent there are changes in the
lumbar extensor muscle mass, in particular the multifidus muscle, in patients
subjected to partial discectomy.
Subjects
All subjects gave their informed consent and the study was approved by the
Medical Ethics Comittee of Our institution. Eleven patients with specific diagnosis of
hemiated disc were recniited from 2 spinal surgeons over a 1-year penod (96-97). but
for persona1reasons, 4 patients did not complete the protocol. Exclusion cntena were
previous lurnbar surgery, spinal abnorrnalities or deformity, cauda equina
compression, neuromuscular or joint disease. Demographic details. duration of
syrnptoms and time to retum to work activities of the patients who completed the
protocol(3 wornen and 4 men) are showr; in Table 1.
Insert Table 1 about here
Surgery and follow-up
In 1982, Sprengler (Sprengler 1982) described an innovative procedure for a
surgical discectomy. The ligarnentum flavum and, if nesessary. a srnall unilateral
laminotorny is periomed to expose the disc space in order to remove through a small
annular incision the fragments of disc matenal of the hemiated side. A disc herniation
was defined as being an extruded nucleus pulposus matenal through a defect in the
anulus fibrosus. The majonîy of hemiated nucleus pul?osus levels of the patients
were at the L4-L5 and L5-SI disc levels. A similar dissection and disc herniation
removal technique lasting overall about 30 min was performad by two of the authors
(PM or .JFR). All operations were conducted in the knee-elbow position, and
preoperative level marking was performed with the help of an image intensifier and a
long needle. The average length of the skin and the fascia incisions ranged from 2 to
3 cm. Al1 patients were out of bed in the evening's day of the surgery and mobilization
of their body was free except that after the first 3 postoperatively w e e k they had to
avoid torsion of the tnink, lifting heavy weight and Sitting or standing for prolonged
period of time. No forma1 physical intervention with professional supervision was
administered during the experimentation. Patients were asked however to begin
stretching of their posterior chain muscles and walking about 15 min daily the day
after surgery.
Magnetic resonance evaluation of multifidus muscle mass
Axial gradient echo images were obtained using a 1.5 T superconducting magnet
interface with a General Electric Signa imaging device (G.E., Medical Systems,
Milwaukee, WI) using lumbar surface coil. The subjects were placed in a comfortable
and relaxed supine position, with their hips flexed to 3S0and legs supported by foam
wedges. The T2-weighted gradient echo sequence was chosen for the evaluation of
the muscle and five-millimeter-thick image slices were collected. The cross-sectional
area (CSA) of the mutifidus muscle was measured at the L3-L4 znd L4-L5 disc levels
before and 4 and 8 weeks after surgery from the gradient echo sequence TWTE
2000188 using a 256x256 matrix and a 18 cm field of view. Following manual
adjustments by the radiologist using on-screen calipers, muscle C'SA was calculated
by integration over the defined region of interest. Image CSA was converted from
pixels to mm2 using the field of view imaging parameter.
Data analysis
Two-way analysis of variance (ANOVA) for repeated measures was used to
analyse the changes in leit and right multifidus muscle mass before. and 4 wk a i d 8
wk aiter surgery. When F ratio reached significance, differences between groups
were establlshed by a posteriori mean compîfison.
RESULTS
Multifidus CSA for the operated and nonoperated sides were sirnilar following
surgery and this was obsewed at the L3-L4 and L4-L5 lumbar disc levels as shown in
Figure 1. No change in CSA was obsewed at the L3-L4 disc level. However. a
significant reduction (pe0.05) in multifidus muscle CSA at the level of L4-L5 was
obsewed 4 weeks after surgery (-61 mm2 or -9%). The reduction obsewed at the
same disc level 8 weeks after surgery (-36 mm2 or -5%) was, however, not
statistically significant.
lnsert Figure 1
A close look at individual data revealed that signs of atrophy at the L4-L5 disc
level of the multifidus muscle were seen 8 weeks after surgery for some patients (a
reduction of about 18% in 3 out of 7 Fig 2A) but not for the others (Fig. 28).
Insert Figure 2
DISCUSSION
Since the 1980s, there is a trend to recommend early mobilisation of the whole
body after disc surgery. Previous studies have reported that the time required after
disc surgery to retum to previous work could be as short as 1 week while for others it
may require as many as 12 weeks (Carragee et al. 1996; Long 1992; Weisel and
Rothman 1983). However, the majority of these studies were based on relieved
symptoms. The important question to answer is whether the patients have attained
an adequate muscular reconditioningfor executing demanding tasks without exposing
them to any risk of redundant injuries or to develop instability at the operated level.
The lumbar back muscles exert dynamic control over the active ranges of lumbar
movement. Erector spinae and multifidus are principally responsible for restriction of
the total range of motion that the joints and ligaments would allow, particularly in the
sagittal plane (Bogduk and Twomey 1987). Lumbar multifidus is the most media1 of
the lumbar back muscles and acts as a rotators cuff muscle and maintain the
approximation and congruity of the zygapophysealfacets on the posterolateral aspect
of the joint. This close relation to the joint capsule and its similar innervation would
readily explain how, according to Bogduk and Twomey (Bogduk and Twomey 1987),
with other postvertebral muscles, it would severely limit flexion and rotation in any
painful condition of the joint.
Goel and CO-workers(Goel et al. 1985) have studied the effects of discectomy on
the kinematics of the lumbar spine. After a partial d i s removal at the L4-L5 level, they
reported a significant increase in lurnbar rotation, but not in translation in the flexion
and lateral bending load types. Above the injury level (L3-L4), only the
antero-posterior translation increased significantly in flexion and left lateral bending
movements. This impaired motion behavior of the lumbar spine suggests that
instability could occur at the affected segment. To minimize instability, a minimal
amount of nucleus has to be excised at surgery and, the inhibition or facilitation of
paraspinal muscles may modulate this pertubation. In fact, it was reported that the
congruence of articular bony components, the integrity of noncontractile peri-aeicular
connective tissues, and muscles that exert their force across the joint to produce or
inhibit motion are 3 factors which influence the stability at a given lumbar joint
(Parkhust and Bumen 1994).
Macintosh and Bogduk (Maclntosh and Bogduk 1986) reported that every fascicle
of the multifidus muscle is ideally disposed to produce posterior sagittal rotation of its
vertebrae during flexion using the spinous process as a lever am. According to this
principal action, our observations that wasting of the multifidus occurs 4 weeks
following a discectorny, and is persiting in some patients after 8 weeks, suggest that
these patients are rnost likely to retum to strenuous or endurance activities not at their
optimal muscular conditioning level. Other studies have shown localized segmenta1
wasting of the multifidus muscle occuring after a first episode of acute-subacute,
unilateral low back pain. Also, rapid multifidus atrophy was dernonstrated ipsilateral
to the location of pain with ultrasound imaging (Hides et al. 1994). In another study
using ultrasound imaging multifidus muscle recovery did not occur spontaneously
after remissionof painful syndromes (Hides et al. 1996). The atrophy obsewed was in
accordance with previous histochemical studies on multifidus rnuscle which showed a
selective atrophy of the Type II muscle fibers (Mattila et al. 1986; Rantanen et al.
1993) and presence of moth-eaten and core-targetoid rnuscle fibers (Mattila et al.
1986; Zhu et al. 1989).
If the muscle wasting seen in patients suffering from an herniated disc is due to
disuse atrophy or reduced physical activity, the reduction in muscle size might be
expected to be seen throughout the length of the lumbar spine muscles. Our results
regarding the multifidus CSA measured at the L3-L4 disc level revealed that there
was no reduction in muscle size after surgery. The occurence of a reflex inhibition or
local denervation might explain such a specific pattern of muscle wasting. Inhibition
may corne from perceived pain via a long-loop reflex pathway or may be due to the
presence of an intramuscular hematoma which increase the intracompartmental
pressure causing local ischemia. The muscle spindles may be particularly susceptible
to these types of trauma. Postural muscles containing generally a high proportion of
type I muscle fibers such as the lumbar muscle groups are known to have especially
high density of muscle spindles (Carr et al. 1985; Heppenstall et al. 1986). This
phenornenon is very similar to previously reported reflex inhibition of surrounding
musculature in peripheraljoints such as the knee (Stokes and Young 1984).
On the other hand, local back muscle denervation and corresponding atrophy after
surgery was demonstrated by Sihvonen (Sihvonen et al. 1993). It is important to
precise that muhifidus is innervated only by the medial branch of the dorsal ramus
and there is no intersegmentalnerve supply to this muscle as in other back muscles.
It cannot be excluded that this factor may. in part, explain the results of the present
study. Despite that the multifidus wasting pattem remains unclear, this muscle
undoubtedly exert an important stabilizing function at a segmental level and any injury
could result in detrimental effects on the lumbar spine.
In conclusion, the results of the present study indicate that there are signs of
multifidus atrophy 4 weeks after a discectomy and that this atrophy precisely take
place at the L4-L5 disc level. A close look at individual data also indicated that a
multifidus atrophy at the L4-L5 disc level was evident 8 weeks postoperatively in 3 out
of 7 patients. These results suggest that measuring multifidus CSA before and 8
weeks following a discectomy may serve to detect patients who may have less
success in their rehabilitative proces. Considering that the majority of the patients
are retuming to their normal activities at about 3 months after their discectomy, it may
be appropriate to include in their rehabilitation protocol a therapeutic intervention that
would correct, if possible, signs of atrophy that were seen in the present study at the
level of an important lumbar spine muscle.
Acknowledgements
H. Morin was recipient of a postgraduate scholarship from the Institut de
recherche en santé et sécurité du travail (IRSST).
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Table 1. Clinical characteristics of the patients
Patients Sex
(yrs)
Weight
(kg)
Pge
Height Operation Syrnptoms'
(m)
site
duration
(months)
Return to
work
(months)
1
F
34
57.4
1,63
Left '
22
3
2
F
42
61.4
1.63
Left "
4
2
3
F
32
81,8
1.65
Right'
6
3
4
M
39
94.5
1,83
Left '
11
3
5
M
32
69.1
1,70
Left
4
0.8
6
M
42
85.0
1,73
Right "
7
M
40
68,2
173
"
Left"
20
5
3
lnapt after
6 months
FIGURE HEADINGS
Figure 1. Multifidus muscle CSA at the L3-L4 (A) and L4-L5 (B) disc levels for the
operated (OP) and nonoperated (NOP) sides before and after 4 and 8 weeks
following surgery.
Figure 2. Murrifidus muscle CSA at the L4-L5 d i s level before and after surgery in
patients still presenting a muscle mass deficit after 8 weeks (A), and in patients who
completely recovered 8 weeks after surgery (B).
O Pre
L3-L4 Level
n=7
4 wks
18wks
CE
2 son
J
- 400
J
1 300
200
NOP
OP
NOP and OP
L4-L5 L e v e l
n=7
NOP
OP
Figure 1 Morin et al
NOP and O P -
O Pre
L4-L5 Level
El4wks
n=3
NOP and OP
NOP
NOP
OP
- NOP and OP '
Figure 2 Morin et al
CONCLUSIONS
Le présent mémoire de maîtrise avait comme premier objectif d'étudier et de
comparer les effets de deux protocoles de stimulation électrique neuromusculaire
(SENM) transcutanée utilisant des impulsions générées à de hautes ou a de basses
fréquences appliquées au niveau des muscles extenseurs du genou suivant une
reconstruction du ligament croisé antérieur. Les résultats obtenus révèlent que le
volume total et le volume de la masse maigre de la cuisse du côté du genou opéré,
mesurés de façon anthropométrique avant et 8 semaines après la reconstruction,
étaient semblables pour les deux groupes. Du côté du genou reconstruit, une faible
perte (environ 10%) quoique statistiquement significative (pc0,OS) fut observée au
niveau du volume du quadricspschez les 2 groupes de patients. Aucun changement
de volume du quadriceps n'a été décélé du côté du genou non-opéré pour les 2
protocoles. Ces résultats suggèrent que des séances quotidiennes de stimulation
électrique a basse fréquence s'avèrent efficaces pour maintenir substantiellement la
masse du quadriceps suite à une RLCA et que I'ajout de séances de stimulation à
haute fréquence ne semble pas justifié.
Le deuxième objectif était de documenter si des altérations morphologiques au
niveau des muscles extenseurs lombaires, plus particulièrement au niveau du muscle
multifidus, étaient présentes suite une chirurgie visant à résorber une hernie discale
au niveau des dernières vertèbres lornbaires ( L N 5 ou L5-SI). A l'aide de l'imagerie
par résonance magnétique, la surface des nuscles multifidus des côtés opéré et nonopéré fut mesurée et les résultats ont démontré que celle-ci était similaire avant et
après l'opération au niveau de l'espace discal L3-L4 chez l'ensemble des sujets. Par
contre, une diminution significative de l'ordre de 10% dans la surface des muscles
multifidus de la région L4L5 fut observée 4 semaines apres la chirurgie alors que
cette même masse musculaire fut légèrement réduite, quoique de façon non
significative pour l'ensemble des patients 8 semaines après la chirurgie. Toutefois.
cette réduction de la masse musculaire 8 semaines apres l'opération était plus
évidente chez presque la moitié des patients, alors que ce n'était pas le cas chez les
autres. Ces résultats suggèrent que des signes d'atrophie a un niveau particulier des
muscles extenseurs lornbaires apparaissent 4 semaines après une
microdiscoïdectomie. Compte tenu que cette atrophie musculaire persiste chez
certains patients 8 semaines apres I'opération, il est possible que ces individus soient
moins aptes à récupérer a la suite d'une telle intervention et qu'une réadaptation
thgrapeutique serait, pour eux, probablement bénéfique.
CHAPITRE 6
RÉFÉRENCES DES CHAPiTRES 1 E l 2
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