Disques intervertébraux et ligaments

Anatomie fonctionnelle du rachis

Le rachis est composé de vertèbres qui ont pour fonctions de protéger la moelle épinière tout en supportant des charges physiologiques complexes et en assurant une certaine mobilité au tronc. Le rachis est divisé en cinq régions anatomiques : les régions cervicale, thoracique et lombaire sont composées de vertèbres articulées, tandis que les régions sacrale et coccygienne sont composées de vertèbres fusionnées. La répartition des régions anatomiques du rachis est illustrée sur la Figure 1.1. La région cervicale compose la partie supérieure du rachis et est constituée de sept vertèbres. La courbure de la région cervicale dans le plan médian est de type lordosique. La région thoracique est d’aspect cyphotique (courbure dans le plan médian) et elle est composée de douze vertèbres. Les cinq dernières vertèbres mobiles du rachis composent la région lombaire d’aspect lordosique. Les vertèbres fusionnées forment la partie inférieure du rachis d’aspect cyphotique : cinq pour le sacrum et quatre pour le coccyx. Les régions thoracique et lombaire sont les régions anatomiques d’intérêt parce que l’objectif de cette thèse est de produire une fracture thoracolombaire.

Les courbures anatomiques ont des fonctions biomécaniques spécifiques : elles absorbent une partie des forces supéroinférieures et elles augmentent la flexibilité du rachis tout en diminuant les contraintes intervertébrales. Les transitions entre les régions anatomiques sont identifiées comme des zones d’intérêts puisqu’elles sont plus susceptibles aux blessures. La plus forte prévalence de blessure aux transitions serait expliquée par des changements brusques de raideur et des changements dans les mécanismes de transfert de charge. L’absence relative de courbure anatomique aux transitions et le passage d’une région relié à la cage thoracique à une région non reliée sont considérés comme des éléments déterminants pour la biomécanique du rachis dans ces zones.

Anatomie vertébrale

La Figure 1.2 illustre l’anatomie typique des vertèbres thoracolombaires. Les vertèbres sont divisées en deux parties : le corps vertébral constitue l’aspect antérieur des vertèbres et l’arc vertébral l’aspect postérieur. Le corps vertébral est de forme discoïde ou cylindrique. Les plateaux vertébraux situés aux extrémités inférieures et supérieures du corps vertébral ont un aspect légèrement concave. L’arc vertébral est composé de deux pédicules et de deux lames. L’arc vertébral et le mur postérieur du corps vertébral forment le foramen vertébral. L’ensemble des foramens vertébraux compose le canal vertébral dans lequel s’insère la moelle épinière. Les nerfs spinaux émergent du canal vertébral par les foramens intervertébraux délimités par les pédicules des vertèbres adjacentes. Sept processus sont associés à l’arc vertébral : deux processus transverses, quatre processus articulaires et un processus épineux. Les processus épineux et transverses servent principalement d’attache aux ligaments et tendons musculaires. Dans la région thoracique, les processus transverses se terminent par une fosse costale transversaire sur lesquelles s’articulent les côtes.

Disques intervertébraux et ligaments

Les disques intervertébraux séparent les vertèbres non fusionnées et ont pour fonctions principales d’amortir les chocs et de moduler les mouvements entre les vertèbres. Ces disques sont composés d’un noyau pulpeux, d’anneaux fibreux et de plateaux cartilagineux fixés aux vertèbres. Le noyau d’aspect gélatineux occupe la partie centrale du disque. L’anneau fibreux est composé de fibres cartilagineuses disposées en bandes concentriques autour du noyau. Le noyau pulpeux est non compressible, mais déformable : sa géométrie et sa position changent en fonction des charges physiologies et de la position du rachis. Ce comportement biomécanique particulier entraine une répartition complexe des efforts internes au niveau des plateaux vertébraux. Par exemple, une force compressive supéroinférieure appliquée sur le rachis entraine une augmentation de la pression interne du noyau pulpeux et une mise en tension des fibres des anneaux périphériques telles qu’illustrées à la Figure 1.3. Les forces normales aux plateaux vertébraux varient brusquement ce qui favorise l’apparition d’une rupture des plateaux vertébraux (White et Panjabi, 1990).

Les disques intervertébraux ont un comportement viscoélastique : la résistance des disques à la déformation augmente avec une augmentation du taux de déformation. Les études portant sur cet aspect sont nombreuses ce qui démontre l’intérêt de la communauté pour cette caractéristique singulière (Cheung, Zhang et Chow, 2003; Costi et al., 2008; Iatridis et al., 1996; Kemper, McNally et Duma, 2007; Lu, Hutton et Gharpuray, 1998; Masuoka et al., 2007; Race, Broom et Robertson, 2000; Riches et al., 2002; Veres, Robertson et Broom, 2010). En particulier, on note que la viscoélasticité des disques influence les mécanismes lésionnels : les plateaux vertébraux sont plus susceptibles aux fractures lorsque la vitesse de chargement augmente (Veres, Robertson et Broom, 2010). De plus, une étude souligne qu’une augmentation supplémentaire du taux de déformation au-delà d’un certain seuil n’augmentera pas davantage la résistance à la déformation du disque intervertébral (Race, Broom et Robertson, 2000). Cette étude s’est faite sur des spécimens bovins et elle a fixé ce seuil à environ 1 MPa/seconde.

La dégénérescence des disques intervertébraux est un phénomène naturel qui altère de façon significative la biomécanique du rachis (An et al., 2004; Kurutz, 2006; Miller, 2008; Mow et Huiskes, 2005). La teneur en eau du noyau pulpeux et la hauteur des disques intervertébraux diminuent tandis que la mobilité intervertébrale augmente (Miller, Schmatz et Schultz, 1988; Tsantrizos et al., 2005; White et Panjabi, 1990). La dégénérescence des disques apparait rapidement : 97 % des disques lombaires étudiés par l’équipe de Miller étaient dégénérés à partir de cinquante ans (Miller, Schmatz et Schultz, 1988). De plus, il a été démontré qu’avec la dégénérescence des disques les efforts maximums enregistrés sur les plateaux vertébraux migrent en périphérie sous l’anneau fibreux (Niosi et Oxland, 2004). Plusieurs ligaments relient les vertèbres thoracolombaires entre elles pour restreindre les mouvements du rachis; principalement les mouvements de flexion et d’extension. Attachés aux corps vertébraux se trouvent le ligament longitudinal antérieur et le ligament longitudinal postérieur. Les principaux ligaments reliant les éléments postérieurs sont : les ligaments jaunes qui forment une partie du mur postérieur du canal vertébral, les ligaments interépineux et le ligament supraépineux. La position de ces ligaments est illustrée à la Figure 1.4.

Qualité osseuse des vertèbres La partie osseuse des vertèbres est composée de deux tissus quasi distincts : l’os cortical en périphérie et l’os trabéculaire au centre des corps osseux. La distinction entre l’os trabéculaire et l’os cortical est basée sur un ratio de densité calculé en divisant la densité du spécimen par la densité d’un spécimen complètement composé d’os cortical de densité estimé à 1800 mg/cm³. L’os trabéculaire a un ratio de densité variant entre 0,05 et 0,7 tandis que l’os cortical a un ratio variant entre 0,7 et 0,95 (Mow et Huiskes, 2005). La densité osseuse moyenne de l’os trabéculaire vertébrale se situe autour de 180 mg/cm³ et elle varie entre 100 mg/cm³ et 350 mg/cm³ chez les sujets sains (Aerssens et al., 1998; Dai et al., 2006). La qualité osseuse n’est pas uniformément distribuée dans les corps vertébraux : l’os trabéculaire est de meilleure qualité dans l’aspect postérieur des corps vertébraux comparativement à l’aspect antérieur et de meilleure qualité dans l’aspect inférieure comparativement à l’aspect supérieur (Banse et al., 2001; Dai et al., 2006; Hulme, Boyd et Ferguson, 2007; Zhao et al., 2009).

Cette meilleure qualité osseuse dans l’aspect inférieur et postérieur des corps vertébraux se traduit par de l’os trabéculaire plus dense, une plus grande connectivité intertrabéculaire, une résistance mécanique supérieure et des propriétés quasi isotropiques (Hulme, Boyd et Ferguson, 2007). L’os trabéculaire de moins bonne qualité se trouve au centre de l’aspect supérieur des vertèbres directement sous le noyau du disque intervertébral. Cette caractéristique physiologique expliquerait en partie la plus forte prévalence de fracture vertébrale affectant l’aspect supérieur des vertèbres. L’épaisseur de l’os cortical varie en fonction du site mesuré : elle est de 0,3 mm à 1,4 mm pour le corps vertébral (Zhao et al., 2009) et peut atteindre 6,5 mm d’épaisseur dans les pédicules (Thiele et al., 2007). L’os cortical des plateaux vertébraux inférieurs est plus épais que l’os cortical des plateaux supérieurs. Cette différence de 10 % à 15 % constituerait une explication supplémentaire pour l’apparition plus fréquente de fractures de l’aspect supérieur des vertèbres (Hulme, Boyd et Ferguson, 2007; Zhao et al., 2009).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES
1.1 Le rachis humain
1.1.1 Anatomie fonctionnelle du rachis
1.1.2 Anatomie vertébrale
1.1.3 Disques intervertébraux et ligaments
1.1.4 Qualité osseuse des vertèbres
1.2 Le rachis porcin
1.2.1 Anatomie fonctionnelle du rachis porcin
1.2.2 Posture de l’animal
1.2.3 Utilisation en recherche des spécimens porcins
1.3 La fracture vertébrale de type burst
1.3.1 Pathophysiologie de la fracture
1.3.2 Prévalence et rapports cliniques
1.3.3 Mécanismes de fracture
1.4 Études et modèles précédents
1.4.1 Études et modèles biomécaniques
1.4.2 Études et modèles neurologiques
CHAPITRE 2 HYPOTHÈSES, OBJECTIFS SPÉCIFIQUES ET APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE
2.1 Hypothèses et objectifs spécifiques
2.2 Approche méthodologique
CHAPITRE 3 ARTICLE 1: EFFECT OF SPINAL LEVEL AND LOADING CONDITIONS ON THE PRODUCTION OF VERTEBRAL BURST FRACTURES IN A PORCINE MODEL
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Material and Method
3.4 Results
3.5 Discussion
3.6 Conclusion
3.7 Acknowledgement
CHAPITRE 4 ARTICLE 2: COMPRESSIVE LOADING OF THE SPINE AFFECT THE SPINAL CANAL ENCROACHMENT OF BURST FRACTURE
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Material and Method
4.4 Results
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
4.7 Sources of support
CHAPITRE 5 ARTICLE 3: SIMULATION OF HIGH ENERGY VERTEBRAL FRACTURES WITH SPINAL CANAL ENCROACHMENT: A BIOMECHANICAL STUDY ON COMPLETE PORCINE SPECIMENS
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Material and Method
5.4 Results
5.5 Discussion
5.6 Conclusion
DISCUSSION
CONCLUSION
ANNEXE I CAHIER DES CHARGES
ANNEXE II GÉNÉRATION ET SÉLECTION DE LA SOLUTION
ANNEXE III DESSIN D’ASSEMBLAGE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES