Études sur les composants des instrumentations de fusion vertébrale

Dégénérescence des disques intervertébraux

Après de nombreuses années de sollicitations, les disques intervertébraux perdent graduellement leurs aptitudes et ils se dégradent. Cette dégénérescence résulte du processus naturel de vieillissement. Toutefois, si un disque est sollicité au-delà de ses capacités, il peut dégénérer de manière prématurée. Dans ce cas, les mêmes changements se produisent que lors d’une dégénérescence naturelle, mais beaucoup plus tôt et rapidement. La dégénérescence se traduit, entre autres, par une perte irréversible du liquide dans le noyau pulpeux diminuant sa capacité à absorber les chocs, car son assèchement le rend moins élastique. Les disques subissent aussi une perte de hauteur. Afin de quantifier la dégénérescence des disques, différents grades progressifs attestant la sévérité peuvent être définis selon différents classements qualitatifs. Ceux-ci vont varier en fonction de la méthode utilisée (imagerie ou dissection) pour diagnostiquer l’état des disques. Dans un milieu clinique, le grade de Thompson est utilisé pour le diagnostic (Thompson et al., 1990), voir Tableau 1.1. Il peut aussi être utilisé expérimentalement si le disque est coupé dans le plan sagittal. Dans le cas d’une dissection transversale du disque, le classement de Nachemson s’applique (Nachemson, 1960), tel que décrit dans le Tableau 1.2. Dans ces deux classifications, un grade élevé correspond à un stade de dégénérescence plus sévère.

Comportement des disques intervertébraux

Le disque intervertébral a un comportement viscoélastique, ce qui veut dire qu’il réagit de façons visqueuse et élastique. La réaction élastique se traduit par un retour à sa forme initiale suite à une déformation. La réaction visqueuse dissipe l’énergie accumulée dans le disque. Lors d’un chargement axial, parce que le noyau pulpeux peut expulser ou absorber de l’eau, il est aussi possible de qualifier le comportement du disque de poroélastique (Emanuel et al., 2015). En effet, la poroélasticité décrit la migration de fluide d’un milieu poreux déformable. En fonction du type de chargement que subit le disque, celui-ci répond par fluage ou par relaxation de contraintes. Lorsque le disque est soumis à une pression constante, la force gravitationnelle par exemple, il répond par fluage, c’est-à-dire qu’il perd de la hauteur petit à petit. Si le disque est maintenu sous un déplacement constant, lorsque le tronc maintient une posture, c’est une relaxation de contraintes qui se produit à l’intérieur du disque (White et Panjabi, 1990). Ainsi les contraintes à l’intérieur du disque sont réduites graduellement. Quotidiennement, les disques intervertébraux sont soumis à une combinaison de ces deux types de chargement. Comme mentionné précédemment, le noyau pulpeux contient de l’eau. La présence de cette eau engendre une pression osmotique à l’intérieur du noyau pulpeux qui mène à une augmentation des tensions dans l’anneau fibreux. La première réponse d’un disque soumis à une compression se fait sous forme élastique, le noyau pulpeux s’aplatit et tend les fibres de l’anneau fibreux.

Lorsque la pression axiale devient plus importante que celle à l’intérieur du disque, le liquide du disque sort graduellement provoquant une réponse en fluage. Lorsque le chargement est relâché, la pression osmotique change et le liquide revient à l’intérieur du disque (Chan, Ferguson et Gantenbein-Ritter, 2011). Au cours d’une journée, les disques sont comprimés pour une période d’environ 16 heures et au repos, lorsque le corps est à l’horizontal, pendant environ 8 heures. Durant la période active de la journée, le disque peut perdre de 10 à 20 % de de sa hauteur (Ayotte, Ito et Tepic, 2001; Ferguson, Ito et Nolte, 2004), et suite au repos, il retrouve son volume initial. Une fois sorti du noyau pulpeux, le liquide peut emprunter deux voies : le plateau cartilagineux ou l’anneau fibreux. Actuellement, l’hypothèse dominante soutient que le liquide s’écoule principalement par les plateaux cartilagineux, mais qu’une petite partie s’écoule dans l’anneau fibreux (Ferguson, Ito et Nolte, 2004). Toutefois, cette théorie est remise en question car l’anneau fibreux est 10 fois plus perméable que les plateaux cartilagineux (Vergroesen et al., 2014). De plus, contrairement aux plateaux qui ne sont perméables qu’au centre, l’anneau fibreux l’est sur toute sa circonférence. Des études in vivo (Schmidt et al., 2014; van der Veen et al., 2007) où les plateaux ont été bouchés n’ont montré aucun impact sur la réponse des disques dans les cas de chargement et de déchargement. Ces résultats suggèrent que le flux de liquide passant à travers les plateaux cartilagineux n’est pas le plus important.

Modèles numériques de disques intervertébraux

L’utilisation de modèles par éléments finis est un moyen économique, éthique et répétable de mener des expérimentations. Ces modèles utilisent des lois de comportement pour représenter le comportement de ses composants et de son ensemble. Cette méthode permet aussi de tester ainsi que de mesurer facilement et simultanément plusieurs facteurs. En fonction du type de réponses qu’il est souhaité étudier, il est possible d’utiliser différentes lois de comportement qui génèreront chacune leurs réponses spécifiques. Les modèles intégrant des propriétés élastiques linéaire et non linéaire permettent d’étudier les contraintes et les déformations du disque intervertébral en réponse direct au chargement qui leur est imposé. Sous un chargement statique ou quasi-statique, il est possible de mesurer les degrés de déformation, les contraintes dans les composants et les pressions intradiscales (Bess et al., 2017; Brummund et al., 2017; Cahill et al., 2012; Chen, Huang et Shih, 2015; Park et al., 2015; Schmidt et al., 2007). Ces modèles ne tiennent toutefois pas compte de la réponse temporelle des disques intervertébraux. Pour prendre en compte la réponse temporelle des disques intervertébraux, il est possible d’utiliser des lois de comportement viscoélastiques.

En considérant une réponse évolutive dans le temps des disques intervertébraux, il est possible de mesurer (en plus des éléments précédemment mentionnés avec un modèle élastique) la réaction des disques en fonction du taux de chargement (El-Rich et al., 2009; Wang et al., 2000). En effet, les disques intervertébraux répondent différemment en fonction de la vitesse de chargement (lente ou rapide). Bien que les deux types de modèles précédents représentent des options pertinentes pour l’étude des disques intervertébraux, ceux-ci ne considèrent pas le fluide présent dans les disques. En intégrant au modèle des lois de comportement poroélastique, il est possible de représenter le comportement du fluide dans les composants anatomiques et l’évolution de l’état de contrainte du disque dans le temps. Les propriétés poroélastiques sont définies par des propriétés élastiques telles qu’un module de Young et un coefficient de Poisson et des propriétés poreuses telles la perméabilité (la capacité d’un corps à être traversé par un liquide sous l’effet d’un gradient de pression) et le ratio de vide (la proportion de vide par rapport au volume total du matériau). Plusieurs modèles de disques intervertébraux poroélastiques, thoraciques ou lombaires, étudiant le comportement des disques intervertébraux dans différentes situations sont présents dans la littérature. Les prochaines lignes résument ces études.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Anatomie descriptive et fonctionnelle du rachis
1.1.1 Vertèbres
1.1.2 Disques intervertébraux
1.1.2.1 Composants des disques intervertébraux
1.1.2.2 Dégénérescence des disques intervertébraux
1.1.3 Ligaments de la colonne vertébrale
1.2 Biomécanique des disques intervertébraux
1.2.1 Comportement des disques intervertébraux
1.2.2 Modèles rhéologiques viscoélastiques
1.2.3 Modèles numériques de disques intervertébraux
1.2.4 Représentation d’un comportement poroélastique dans ABAQUS
1.3 Instrumentations de fusion vertébrale
1.4 Études sur les composants des instrumentations de fusion vertébrale
1.4.1 Études expérimentales
1.4.2 Études numériques des instrumentations de fusion vertébrale
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
2.1 Problématique
2.2 Objectifs de l’étude
2.3 Approche méthodologique
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Caractérisation expérimentale du comportement des disques intervertébraux porcins en relaxation de contraintes
3.1.1 Préparation des échantillons
3.1.1.1 Dissection des échantillons
3.1.1.2 Congélation des échantillons
3.1.1.3 Coupe des échantillons
3.1.1.4 Hauteur des disques intervertébraux
3.1.1.5 Trempage des échantillons
3.1.1.6 Longueur et largeur des disques intervertébraux
3.1.1.7 Aire des disques intervertébraux
3.1.2 Essais en compression axiale
3.1.2.1 Déplacement à imposer
3.1.2.2 Cellule de charge
3.1.2.3 Préchargement
3.1.2.4 Chargement
3.1.3 Mesures supplémentaires
3.1.3.1 Grade de dégénérescence des disques intervertébraux
3.1.3.2 Ratio entre l’aire du noyau pulpeux et l’aire du disque
3.1.4 Traitement des données de compression axiale
3.2 Modélisation par éléments finis poroélastique du disque intervertébral porcin
3.2.1 Géométrie du disque intervertébral
3.2.2 Maillage du modèle géométrique
3.2.3 Loi de comportement
3.2.4 Chargement et conditions aux frontières
3.3 Évaluation du comportement du modèle par éléments finis développé
3.3.1 Calibrage du modèle développé en relaxation de contraintes
3.3.2 Évaluation du comportement en fluage du modèle développé
CHAPITRE 4 RÉSULTATS
4.1 Caractérisation expérimentale du comportement en relaxation de contraintes des disques intervertébraux porcins
4.2 Analyse de convergence du maillage
4.3 Évaluation du comportement du modèle par éléments finis
4.3.1 Calibration du modèle développé en relaxation de contraintes
4.3.2 Évaluation de la réponse en en fluage
CHAPITRE 5 DISCUSSION
5.1 Discussion des résultats
5.1.1 Caractérisation expérimentale du comportement en relaxation de contraintes
5.1.1.1 Dimensions des échantillons
5.1.1.2 Courbe de relaxation de contraintes
5.1.2 Calibration du comportement en relaxation de contraintes
5.1.3 Évaluation du comportement en fluage du modèle par éléments finis
5.2 Limites du travail
5.2.1 Limites expérimentales
5.2.2 Limites du modèle numériques
5.3 Discussion générale
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I VÉFIFICATION DE LA NORMALITÉ DES RÉSULTATS DES ÉCHANTILLONS PAR LE TEST DE SAPIRO-WILK
ANNEXE II VÉFIFICATION DU NOMBRE D’ÉCHANTILLONS
ANNEXE III DIMENSIONS DES ÉCHANTILLONS
ANNEXE IV COMPARAISON ENTRE UN MODÈLE AXISYMÉTRIE ET 3D
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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