Soutenance mémoire
Rachis humain
Rôles et architecture Le rachis humain est la principale structure du squelette. C’est l’axe central du corps humain, il est limité par l’arrière du crâne et par le bassin. Le rachis a essentiellement trois fonctions : supporter le poids du corps par la distribution et la transmission des charges appliquées, assurer le mouvement du tronc et du crâne grâce à sa structure et protéger le système nerveux en abritant la moelle épinière.
* Le rachis cervical comprenant 7 vertèbres mobiles dont la première est liée à la base du crâne. Les vertèbres cervicales sont numérotées de C1 à C7
* Le rachis dorsal lié au thorax. Il est composé de 12 vertèbres de T1 à T12
* Le rachis lombaire situé au niveau de l’abdomen. Il comprend 5 vertèbres : L1 à L5.
Les vertèbres lombaires sont les plus grandes vertèbres mobiles du rachis
* Le sacrum situé au niveau du bassin. Il comprend 5 vertèbres : S1 à S5. Les vertèbres sacrées sont soudées à partir de l’âge de 10-12 ans.
* Le coccyx formé par 3 à 5 vertèbres. Il constitue la terminaison de la colonne vertébrale. Les vertèbres coccygiennes sont semi-mobiles
Composants du rachis
a/ Les vertèbres Les vertèbres sont des structures osseuses distribuées le long du rachis. Les forme des vertèbres diffèrent d’une partie du rachis à l’autre mais elles sont toutes caractérisées par deux zones appelées corps vertébral et arc neural. Les deux zones sont composées d’un os trabéculaire au centre et d’un os compact périphérique (Cramer & Darby, 1995). Le corps vertébral est la partie volumineuse de la vertèbre. Il est cylindrique avec une forme un peu concave en arrière (Ricard, 2011). Les faces supérieures et inférieures des corps vertébraux sont les zones où les disques intervertébraux sont attachés. Ces faces sont plates mais non parallèles. L’arc neural est composé d’une paire de lames verticales, d’une paire de pédicules et de 7 processus : quatre articulaires, deux transverses et un épineux (Fig. 1.2). Entre l’arc neural et le corps vertébral se situe un espace vide appelé foramen vertébral. La succession des foramens vertébraux le long du rachis constitue le canal vertébral dans lequel passe la moelle épinière.
b/ Les articulations Les vertèbres sont liées entre elles par des articulations permettant : les mouvements nécessaires pour le tronc et le cou. Au niveau des arcs neuraux, les vertèbres sont articulées à travers les processus (ou bien apophyses) articulaires. Les deux apophyses articulaires inférieures de chaque vertèbre sont en contact avec les deux apophyses supérieures de la vertèbre voisine. Au niveau des corps vertébraux, ce sont les disques intervertébraux qui assurent cette articulation. Les disques intervertébraux sont nommés selon les deux vertèbres qui les limitent, par exemple entre les vertèbres T6 et T7 on trouve le disque T6-T7. Dans la suite une étude détaillée des disques intervertébraux sera présentée.
c/ Les ligaments Le système ligamentaire du rachis comporte 5 ligaments qui ont un rôle essentiellement protectif (Fig.1.3). Deux ligaments appelés ligaments longitudinaux antérieur et postérieur entourent les corps vertébraux et les disques qui les relient. Un ligament appelé ligament jaune est présent sur la face antérieure des lames. Ces trois ligaments ont un comportement viscoélastique et sont très résistants aux forces de traction grâce à l’orientation de leurs fibres de collagène parallèle à l’axe du rachis (Rannou et al., 2004). Les ligaments inter-épineux et supra-épineux lient les vertèbres adjacentes à travers leur processus épineux. Ils ont une faible résistance. Les ligaments les moins résistants sont les ligaments supra-épineux, ils sont lâches et pauvres en collagène (Rannou et al., 2004).
Rôles mécaniques du disque intervertébral
Le disque intervertébral a essentiellement deux rôles :
— Assurer la mobilité du rachis : Le disque intervertébral lie deux vertèbres entre elles en assurant leur mouvement relatif. Les DIVs sont des articulations qui confèrent à la colonne vertébrale toute l’étendue de son mouvement.
— Absorber les chocs et redistribuer les chargements appliqués : Un chargement appliqué sur le disque est amorti par le mouvement de l’eau contenue dans le DIV.
L’eau commence à s’évacuer lentement grâce à la porosité de la matrice extracellulaire, cela est accompagné d’un gonflement qui convertit une partie du chargement axial en chargement radial supporté par l’anneau externe et le ligament longitudinal antérieur. La présence des plateaux empêche le gonflement du noyau en dehors de la limite discale et transmet l’effort à la vertèbre adjacente et par suite au disque voisin.
Modification du mécanisme de la nutrition cellulaire
Comme mentionné précédemment, les cellules sont responsables du renouvellement de la matrice extracellulaire en produisant à la fois les agents de dégradation et de synthèse du tissu de la matrice. Toute perturbation dans la fonction cellulaire provoque un déséquilibre de production de ces agents et par suite modifie les propriétés du DIV. Des études ont montré que l’activité cellulaire est très sensible aux variations de la concentration d’oxygène, de glucose et du pH du milieu (Urban & Roberts, 2003). La synthèse de la MEC chute brutalement dans un milieu acide ou dans un milieu où la concentration d’oxygène dans le milieu est faible (Ishihara & Urban, 1999). Les consommations de glucose et d’oxygène dépendent de leurs concentrations ainsi que de l’acidité du milieu (Urban & Roberts, 2003; Bibby et al., 2005). Dans un milieu acide (pH < 7), la consommation de ces nutriments diminue d’une façon remarquable. A faible concentration, la consommation du glucose et de O2 devient très faible quel que soit le pH du milieu. La production du lactate dépend fortement du pH du milieu, mais aussi de la concentration de l’oxygène notamment quand cette dernière est faible (Bibby et al., 2005). A faible concentration d’oxygène, la production du lactate chute. De ce fait, la glycolyse anaérobie nécessite paradoxalement aussi la présence de l’oxygène. La viabilité des cellules est également en relation avec la concentration des nutriments dans le milieu discal. Le pourcentage des cellules vivantes diminue dans un milieu acide ou dans un milieu pauvre en glucose quel que soit son pH. Sous ces deux conditions regroupées la viabilité des cellules chute d’une façon très remarquable (Urban & Roberts, 2003; Bibby & Urban, 2004). Pour conclure, l’activité et la viabilité cellulaire favorisent un milieu discal légèrement basique et riche en glucose et en oxygène. La modification de ces conditions, qui peut se produire à cause de changements de propriétés du milieu poreux, notamment la perméabilité, perturbe les fonctions cellulaires et modifie les caractéristiques et les propriétés de la MEC.
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Table des matières
I Etude bibliographique
1 Contexte général et problématique clinique
1.1 Anatomie et biomécanique du disque intervertébral
1.1.1 Rachis humain
1.1.2 Le disque intervertébral (DIV)
1.1.3 Biomécanique du disque intervertébral
1.2 Dégénérescence discale et problématique clinique
1.2.1 Changements morphologiques et structurels et leurs effets sur la mécanique du DIV
1.2.2 Facteurs de la dégénérescences discale
1.2.3 Classification de la dégénérescence discale
1.3 Phénomènes électrochimiques présents dans le DIV
1.3.1 Transfert diffusif
1.3.2 Transfert convectif
1.3.3 Migration électrique
1.3.4 Application des phénomènes électrochimiques au cas du DIV
2 État de l’art : modèles in-vivo, in-vitro et in-silico
2.1 Études expérimentales
2.1.1 Études mécaniques
2.1.2 Transport métabolique et profil des concentrations des nutriments
2.1.3 Contribution de l’imagerie médicale
2.2 Théories et modèles descriptifs du milieu poreux vivant
2.2.1 Introduction
2.2.2 Les modèles multiphasiques
2.2.3 Propriétés mécaniques
2.2.4 Modélisation de la nutrition cellulaire
II Développement du modéle biomécanique
3 Description du modèle et formulation
3.1 Modèle Mécanique
3.1.1 Définitions et hypothèses
3.1.2 Cinématique
3.1.3 Équations de conservation
3.1.4 Porohyperélasticité
3.2 Modèle de nutrition cellulaire
3.2.1 Les équations de diffusion
3.2.2 Relations de Bibby et al. (2005)
3.3 Déformations finies et bilan final
3.3.1 Déformations finies et changement de configuration
3.3.2 Bilan final
4 Construction et mise en œuvre du modèle
4.1 Données expérimentales
4.1.1 Description des essais expérimentaux
4.1.2 Séquences IRM
4.1.3 Évolution de la contrainte au cours de l’essai de compression
4.2 Exploitation des séquences IRM
4.2.1 Reconstruction des géométries
4.2.2 Détermination des champs de porosité initiaux
4.2.3 Délimitation des composants du DIV
4.2.4 Récapitulatif
4.3 Résolution du modèle
4.3.1 Propriétés physiques affectées
4.3.2 Maillages
III Résultats et Discussion
5 Validation du modèle mécanique
5.1 Procédure d’identification des paramètres
5.1.1 Algorithme d’optimisation
5.1.2 Paramètres et intervalles d’optimisation pour le modèle isotrope
5.1.3 Paramètres et intervalles d’optimisation pour le modèle anisotrope
5.2 Optimisation sur un seul chargement
5.2.1 Paramètres identifiés
5.2.2 Courbes de relaxation
5.3 Optimisation sur deux chargements
5.3.1 Paramètres identifiés
5.3.2 Courbes de relaxation
5.4 Résumé des résultats d’optimisation
5.5 Validation du modèle
5.5.1 Porosité globale, volume et gonflement
5.5.2 Distribution de la porosité
5.6 Discussion
6 Modèle de couplage mécanique-métabolique
6.1 Étapes de résolution et conditions aux limites
6.1.1 Étape d’initialisation
6.1.2 Étape de chargement
6.2 Chargement quasi-statique
6.2.1 Pression
6.2.2 Porosité
6.2.3 Distribution des nutriments
6.3 Chargement cyclique
6.3.1 Pression et porosité
6.3.2 Distribution des nutriments
6.4 Discussion
IV Annexes
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