L'elastografia ecogràfica per avaluar l'elasticitat muscular en els infants amb paràlisi cerebral
- Autores: Dolors Casellas
- Directores de la Tesis: Anna Prats Puig (codir. tes.), Joaquim Casellas Vidal (codir. tes.), Abel López-Bermejo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2024
- Idioma: catalán
- Tribunal Calificador de la Tesis: Judit Bassols Casadevall (presid.), D. Gómez Andrés (secret.), Ana Roche Martínez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología Molecular, Biomedicina y Salud por la Universidad de Girona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
Introducción: Los niños con parálisis cerebral (PC) espástica sufren cambios biomecánicos en sus músculos, que provocan alteraciones del tono como la espasticidad. Estas alteraciones del tono se pueden estimar mediante escalas clínicas o cuantificar mediante técnicas ecográficas no invasivas como la elastografía de ondas de cizalla. Existen pocos estudios que comparen el módulo elástico obtenido con elastografía de ondas de cizalla con las escalas clínicas de uso habitual y se desconoce su rango de normalidad, así como los factores que pueden afectarlo o modificarlo. Por otro lado, los niños con PC son propensos a sufrir infecciones respiratorias e inflamación crónica de las vías aéreas causando la disminución de la función respiratoria en ambos casos. Varios factores como la alteración del tono y la disminución de la fuerza muscular inducen esa disfunción que se agrava con la severidad de la PC. La cuantificación de la función respiratoria con técnicas clásicas no es viable en niños con deterioro motor y cognitivo grave, por lo que la ecografía resulta una técnica no invasiva y fácilmente aplicable para la evaluación de la función respiratoria en niños con PC.
Objetivos: Describir los valores de la elastografía de ondas de cizalla de los músculos en niños con PC espástica y niños con desarrollo típico y (a) comparar el módulo elástico entre ambos grupos, (b) estudiar los factores que influyen en el módulo elástico, como la posición articular, el rango de movimiento articular, factores demográficos, antropométricos, de condición física y las características de la PC en los niños afectos, (c) correlacionar las evaluaciones del módulo elástico con las escalas clínicas de espasticidad en los niños con PC espástica y (d) estudiar la influencia de los hábitos saludables en el módulo elástico de los niños con desarrollo típico incluyendo la adherencia a la dieta mediterránea, las horas de sueño y la actividad física moderada-vigorosa. En segundo lugar, describir los valores ecográficos de funcionalidad diafragmática en los niños con PC y niños con desarrollo típico y (a) compararlos entre los dos grupos del estudio, (b) evaluar su asociación con los valores del módulo elástico, (c) evaluar su asociación con los valores de la espirometría y (d) evaluar su asociación con las infecciones de vías respiratorias bajas en los niños con PC.Material y Métodos: Se obtuvieron medidas cuantitativas del módulo elástico muscular[kPa] con la tecnología de elastografía de ondas de cizalla de los músculos de la extremidad superior bíceps braquial (BB) y pronador redondo (PR), i de la extremidad inferior el aductor largo (AL), gastrocnemio lateral ( GL) y soleo (SOL) en reposo y en posición de máximo estiramiento pasivo articular de 34 niños con PC espástica (16 niñas, 18 niños; edad media de 11 años; rango de 3 a 17 años) y 44 niños con desarrollo típico (27 niñas, 17 niños; edad media de 9 años; rango de 3 a 14 años). Las evaluaciones adicionales incluyeron el rango de movimiento articular, demografía, antropometría, datos de condición física, así como las características clínicas de la PC e infecciones respiratorias de vías bajas durante un año en los niños afectos, y los hábitos saludables y espirometrías en los niños con desarrollo típico. De todos ellos, se realizaron las medidas de funcionalidad diafragmática en 10 niños con PC y 12 con desarrollo típico que cumplían los criterios de inclusión. La ecografía en modo M se utilizó para medir el grosor, la fracción de engrosamiento, la excursión y la velocidad de contracción del diafragma. Las evaluaciones adicionales incluyeron datos demográficos, antropométricos, condición física, posición articular y amplitud del movimiento articular; también se incluyeron las características clínicas y las escalas modificadas de Ashworth y Tardieu en los niños con PC y la adherencia a la dieta mediterránea, las horas de sueño y la actividad física moderada-vigorosa en los niños con desarrollo típico.
Resultados: El módulo elástico medido con elastografía de ondas de cizalla mostró diferencias significativas (p<0,05) entre los niños con PC espástica y los niños con desarrollo típico. Los análisis mostraron valores más bajos en los músculos de las extremidades superiores (BB y PT) y valores más altos en los músculos de las extremidades inferiores (AL y SOL) en niños con PC en reposo, con el patrón contrario en la posición de máximo estiramiento pasivo. Los datos demográficos, antropométricos, de condición física y las características de la PC no se asociaron con el módulo elástico (p>0.05). Las escalas modificadas de Ashworth y Tardieu mostraron una asociaron (p<0,05) con el módulo elástico en los músculos de la extremidad inferior (AL, GL y SOL) en reposo en niños con PC. También se observó, en los niños con desarrollo típico, un aumento del módulo elástico con la mejor adherencia en la dieta mediterránea (p<0,05) y una reducción del módulo elástico con el incremento de las horas de sueño (p<0,05). Las medidas de funcionalidad diafragmática mostraron distintos valores entre los niños con PC y desarrollo típico; aunque la fracción de engrosamiento era similar, se observaron estimaciones más bajas en la excursión y en la velocidad de contracción en niños con PC (p<0,05) y una tendencia no significativa en este grupo (p>0,05) en la reducción del grosor diafragmático. Al compararlas con la espirometría no se observó ningún efecto estadísticamente significativo (p>0,05). Las infecciones de vías respiratorias bajas se asociaron a una menor excursión (p<0,05) y la velocidad de contracción (p<0,01), y a una mayor fracción de engrosamiento (p<0,01) en los niños con PC predominantemente más grave.
Conclusiones y discusión: La elastografía de ondas de cizalla reveló un patrón opuesto del módulo elástico muscular entre las extremidades superiores e inferiores tanto en reposo como en máximo estiramiento pasivo, entre los niños con PC y niños con desarrollo típico. No pudo identificarse un patrón clínicamente consistente entre el módulo elástico y las escalas clínicas de valoración de la PC. Estos resultados sugieren que el principal responsable de las modificaciones del módulo elástico es la regulación del sistema nervioso central, así como de la arquitectura muscular y composición muscular i que puede verse influenciado por otras estructuras articulares (p.ej. tendones, huesos, entre otros). También indican que la elastografía de ondas de cizalla puede ser una técnica más adecuada para la evaluación de la elasticidad muscular individual evitando influencias articulares que pueden afectar a las escalas clínicas de la espasticidad. Además, permite detectar cambios en el módulo elástico relacionado con los hábitos de vida saludable y tiene el potencial de definir los hábitos que mejoran la función física y objetivar y cuantificar estas mejoras. La medida de la funcionalidad diafragmática por técnicas ecográficas permite cuantificar de manera no invasiva y reproducible el deterioro de la función respiratoria, incluso en niños con deterioro motor y cognitivo grave y disminuye en relación a las infecciones respiratorias de vías bajas y espasticidad. Por último, esta tesis doctoral contribuye a validar la elastografía de ondas de cizalla como valoración cuantitativa y fiable de las propiedades musculares, así como la ecografía en modo M para la funcionalidad diafragmática.
- català
Introducció: Els infants amb paràlisi cerebral (PC) espàstica pateixen canvis biomecànics en els seus músculs, que provoquen alteracions del to com l’espasticitat. Aquestes alteracions del to muscular es poden estimar mitjançant escales clíniques o quantificar mitjançant tècniques ecogràfiques no invasives com l’elastografia d'ones de cisalla.
Existeixen pocs estudis que comparin el mòdul elàstic obtingut amb elastografia d’ones de cisalla amb les escales clíniques d'ús habitual i se’n desconeix el rang de normalitat així com els factors que poden afectar-lo o modificar-lo. Per altra banda els infants amb PC són propensos a patir tant infeccions respiratòries com la inflamació crònica de les vies aèries causant la disminució de la funció respiratòria en ambdós casos. Diversos factors com l’alteració del to i la disminució de la força muscular indueixen aquesta disfunció que s’agreuja amb la severitat de la PC. La quantificació de la funció respiratòria amb tècniques clàssiques no és viable en infants amb deteriorament motor i cognitiu greu, motiu pel qual l’ecografia resulta una tècnica no invasiva i fàcilment aplicable per a l’avaluació de la funció respiratòria en infants amb PC.
Objectius: Descriure els valors de l’elastografia d’ones de cisalla dels músculs en infants amb PC espàstica i infants amb desenvolupament típic i (a) comparar el mòdul elàstic entre els dos grups, (b) estudiar els factors que influeixen en el mòdul elàstic, com la posició articular, el rang de moviment articular, els factors demogràfics, antropomètrics, de condició física i les característiques de la PC en els infants afectats, (c) correlacionar les avaluacions del mòdul elàstic amb les escales clíniques en els infants amb PC espàstica i (d) estudiar la influència dels hàbits saludables en el mòdul elàstic dels infants amb desenvolupament típic incloent adherència a la dieta mediterrània, hores de son i activitat física moderada-vigorosa. En segon lloc descriure els valors ecogràfics de funcionalitat diafragmàtica en els infants amb PC i infants amb desenvolupament típic i (a) comparar- los entre els dos grups de l’estudi, (b) avaluar la seva associació amb els valors del mòdul elàstic, (c) avaluar la seva associació amb els valors de l’espirometria i (d) avaluar la seva associació amb les infeccions de vies respiratòries baixes en els infants amb PC.
Material i Mètodes: Es van obtenir mesures quantitatives del mòdul elàstic muscular[kPa] amb la tecnologia d’elastografia d’ones de cisalla dels músculs de l’extremitat superior bíceps braquial (BB) i pronador rodó (PR), i de l’extremitat inferior l’adductor llarg (AL), gastrocnemi lateral (GL) i soli (SOL) en repòs i en posició de màxim estirament passiu articular de 34 infants amb PC espàstica (16 nenes, 18 nens; edat mitjana d’11 anys; rang de 3 a 17 anys) i 44 infants amb desenvolupament típic (27 nenes, 17 nens; edat mitjana de 9 anys; rang de 3 a 14 anys). Les avaluacions addicionals van incloure el rang de moviment articular, demografia, antropometria, dades de condició física, així com les característiques clíniques de la PC i infeccions respiratòries de vies baixes durant un any en els infants afectes, i els hàbits saludables i espirometries en els infants amb desenvolupament típic. D’entre aquests, es van realitzar les mesures de funcionalitat diafragmàtica en 10 infants amb PC i 12 amb desenvolupament típic que complien els criteris d’inclusió. L’ecografia en mode M es va utilitzar per mesurar el gruix, la fracció d’engruiximent, l’excursió i la velocitat de contracció del diafragma. Les avaluacions addicionals van incloure dades demogràfiques, antropomètriques, condició física, posició articular i amplitud del moviment articular; també es van incloure les característiques clíniques i les escales modificades d’Ashworth i Tardieu en els infants amb PC i l’adherència a la dieta mediterrània, les hores de son i l’activitat física moderada-vigorosa en els infants amb desenvolupament típic.
Resultats: El mòdul elàstic mesurat amb elastografia d’ones de cisalla va mostrar diferències significatives (p<0,05) entre els infants amb PC espàstica i els infants amb desenvolupament típic. Les anàlisis van mostrar valors més baixos en els músculs de les extremitats superiors (BB i PT) i valors més alts en els músculs de les extremitats inferiors (AL i SOL) en els infants amb PC en repòs, amb el patró contrari en la posició de màxim estirament passiu. Les dades demogràfiques, antropomètriques, de condició física i les característiques de la PC no es van associar amb el mòdul elàstic (p>0,05). Les escales modificades d’Ashworth i Tardieu es van associar (p<0,05) amb el mòdul elàstic en els músculs de l’extremitat inferior (AL, GL i SOL) en repòs en els infants amb PC. També es va observar, en els infants amb desenvolupament típic, un augment del mòdul elàstic amb la millor adherència a la dieta mediterrània (p<0,05) i una reducció del mòdul amb l’augment de les hores de son (p<0,05). Les mesures de funcionalitat diafragmàtica van mostrar diferents valors entre els infants amb PC i desenvolupament típic; tot i que la fracció d’engruiximent era similar, es van observar estimacions més baixes en l’excursió i en la velocitat de contracció en infants amb PC (p<0,05) i una tendència no significativa en aquest grup (p>0,05) en la reducció del gruix diafragmàtic. Al comparar-les amb l’espirometria no es va observar cap efecte estadísticament significatiu (p>0,05). Les infeccions de vies respiratòries baixes es van associar a una menor excursió (p<0,05) i velocitat de contracció (p<0,01), i a una major fracció d’engruiximent (p<0,01) en els infants amb PC predominantment més greu.
Conclusions i discussió: L’elastografia d’ones de cisalla va revelar un patró oposat del mòdul elàstic muscular entre les extremitats superiors i inferiors tant en repòs com en màxim estirament passiu, entre els infants amb PC i infants amb desenvolupament típic.
No es va poder identificar un patró clínicament consistent entre el mòdul elàstic i les escales clíniques de valoració de la PC. Aquests resultats suggereixen que el principal responsable de les modificacions del mòdul elàstic és la regulació del sistema nerviós central, així com de l’arquitectura muscular i que es pot veure influenciat per altres estructures articulars (p. ex. tendons, ossos, entre d’altres). També indiquen que l’elastografia d’ones de cisalla pot ser una tècnica més adequada per l’avaluació de l’elasticitat muscular individual evitant influències articulars que poden afectar les escales clíniques de l’espasticitat. A més, permet detectar canvis en el mòdul elàstic relacionat amb els hàbits de vida saludable i té el potencial de definir els hàbits que milloren la funció física i objectivar i quantificar aquestes millores. La mesura de la funcionalitat diafragmàtica per tècniques ecogràfiques permet quantificar de manera no invasiva i reproduïble el deteriorament de la funció respiratòria, fins i tot, en infants amb deteriorament motor i cognitiu greu i disminueix en relació a les infeccions respiratòries de vies baixes i l’espasticitat. Finalment, aquesta tesi doctoral contribueix a validar l’elastografia d’ones de cisalla com a valoració quantitativa i fiable de les propietats musculars, així com l’ecografia en mode M per la funcionalitat diafragmàtica.
- English
Introduction: Children with spastic cerebral palsy (CP) suffer from biomechanical changes in their muscles, causing excessive spasticity. These changes in muscle tone can be estimated by means of clinical scales or quantified by non-invasive ultrasound techniques such as shear wave elastography. There is a shortage of studies comparing muscle stiffness assessed by shear wave elastography with widely used clinical scales and the parameters defining normality remain uncertain. Additionally, factors that may influence or alter muscle stiffness assessed by shear wave elastography are not fully understood.
On the other hand, children with CP are prone to experiencing respiratory infections and chronic airway inflammation, leading to a decline in respiratory function. Various factors, including altered muscle tone and reduced muscle strength, contribute to this dysfunction, which tends to exacerbate with the severity of CP. Traditional techniques for quantifying respiratory function are often impractical for children with severe motor and cognitive impairments. Hence, ultrasound emerges as a non-invasive and readily applicable technique for assessing respiratory function in this population.
Objectives: To describe the shear wave elastography values of muscles in children with spastic CP and children with typical development and (a) to compare the elastic modulus between the two groups, (b) to study factors influencing the elastic modulus such as joint position, joint range of motion, demography, anthropometry, physical fitness data, and CP characteristics in CP children, (c) to correlate elastic modulus assessments with clinical spasticity scales in children with spastic CP and (d) to study the influence of healthy habits including adherence to Mediterranean diet, and moderate-vigorous physical activity and sleep time on elastic modulus in typically developing children. Secondly, the study aimed to characterize the ultrasound values of diaphragmatic functionality in both children with CP and children with typically developing children, with the following specific objectives (a) to compare these values between the two groups, (b) to assess their correlation with the elastic modulus values, (c) to evaluate their relationship with spirometry values, and (d) to examine their association with lower respiratory tract infections among CP children.
Material and Methods: Shear wave elastography with quantitative measurement from muscle elastic modulus [kPa] of biceps brachii (BB) and pronator teres (PR)from the upper limb and adductor longus (AL), lateral gastrocnemius (GL) and soleus (SOL) muscles for the lower limb were obtained at rest and at maximum passive stretching of the joints in of 34 children with spastic CP (16 girls, 18 boys; aged 11 years; range 3 to 17 years) and 44 children with typically development (27 girls, 17 boys; aged 9 years; range 3 to 14 years). Additional assessments included joint range of motion, demography, anthropometry, physical fitness data as well as CP characteristics and low respiratory tract infections during over a one-year period in spastic CP children, and healthy habits and spirometry in typically developing children. Among these participants, diaphragmatic function measurements were conducted on 10 children with CP and 12 typically developing children who met the inclusion criteria. The measurements included diaphragm thickness, thickening fraction, excursion, and inspiratory slope, all assessed using M-mode ultrasound. Additional assessments included demographic and anthropometric data, physical condition evaluations, joint position and joint range of motion assessments, and clinical characteristics were gathered for children with CP. For typically developing children, adherence to the Mediterranean diet, hours of sleep and moderate-to-vigorous physical activity were also recorded.
Results: The elastic modulus measured by shear wave elastography was significantly different(p<0.05) in CP children compared to typically developing children. Assessments showed lower elastic modulus values in upper limb (BB and PT) muscles and higher elastic modulus values in lower limb (AL and SOL) muscles in CP children at rest, with the opposite pattern at maximum passive stretching. Demographic, anthropometric, physical fitness data and PC characteristics were not associated with elastic modulus (p>0.05). The modified Ashworth and Tardieu scales were associated (p<0.05) with the elastic modulus at rest in all lower limb (AL, GL and SOL) muscles in CP children. Furthermore, among typically developing children, an increase in the elastic modulus was observed among those with better adherence to the Mediterranean diet (p<0.05) and a decrease in the elastic modulus related to an increased sleep time (p<0.05). Measurements of diaphragmatic functionality revealed different values between CP and typically developing children; while the thickening fraction remained similar, lower estimates of excursion and inspiratory slope were observed in CP children (p<0.05), alongside a non- significant trend (p>0.05) indicating the reduction of diaphragmatic thickness. When compared with spirometry, no statistically significant effect was observed (p>0.05). Lower respiratory tract infections were associated with decreased excursion (p<0.05) and inspiratory slope (p<0.01), but an increased thickening fraction (p<0.01) was observed in children with predominantly severe PC.
Conclusions and discussion: Shear wave elastography revealed an opposite pattern of muscle elastic modulus in upper and lower limbs, both at rest and at maximum passive stretching, between CP and typically developing children. A clinically consistent pattern between the elastic modulus and clinical scales could not be identified CP children. These results suggest that alterations in the elastic modulus primarily stem from central nervous system regulation, along with muscle architecture and composition and other joint structures such as tendons and bones may also exert influence on these changes. They also indicate that shear wave elastography may be a more pertinent technique to evaluate individual muscle elasticity avoiding confounding joint influences that might affect clinical spasticity scales. In addition, it facilitates the detection of changes in elastic modulus related to healthy lifestyle habits and has the potential in defining habits that enhance physical function while objectively and quantitatively measuring these enhancements.
Furthermore, the assessment of diaphragmatic functionality by ultrasound techniques offers a non-invasive and reproducible means of quantifying respiratory function decline, particularly noteworthy in children with severe motor and cognitive impairments, with a decrease correlating with lower respiratory tract infections and spasticity. Finally, this doctoral thesis contributes to the validation of shear wave elastography as a quantitative and reliable tool for the assessment of muscle properties, alongside M-mode ultrasound for evaluating diaphragmatic functionality.
- español
