Soutenance mémoire
Anatomie / Pathologies du rachis
Les repères anatomiques du rachis
Repère de référence du corps humain en posture debout
Directement lié à la fonction de stabilité, il convient de définir le repère de référence du corps, en posture debout et par rapport à la ligne de gravité. Ce repère de référence appelé repère global (Figure 1) est défini par l‟axe postéro-antérieur X , l‟axe latéral Y (orienté droite-gauche) et l‟axe vertical Z (ascendant selon la ligne de gravité). On peut alors considérer les différents plans de référence :
● le plan coronal ou frontal (YZ) : il peut être défini comme le plan vertical contenant les épines iliaques antéro-supérieures
● le plan sagittal (XZ) : il est assimilable à un plan de symétrie « gauche – droite » du corps
● le plan horizontal ou transversal : ce plan est perpendiculaire à la ligne de gravité.
Repères spécifiques du rachis
Afin de représenter le rachis à différentes échelles, ainsi que pour décrire certaines déformations rachidiennes, plusieurs repères de référence ont été proposés. Afin d‟uniformiser l‟utilisation de ces repères, un rapport présenté à la Scoliosis Research Society (SRS) propose une terminologie complète associée à la colonne vertébrale avec, en particulier, la définition de repères fondamentaux pour l‟étude de la déformation scoliotique (Stokes, 1994). Ces définitions seront utilisées tout au long de ce mémoire.
Repère local vertébral
Le repère local est basé sur la morphologie de la vertèbre. Il est défini de la manière suivante :
● Origine : milieu des centres des plateaux supérieur et inférieur de la vertèbre (centre du corps vertébral)
● Axe ZV : passe par les centres des plateaux vertébraux, dirigé vers le haut
● Axe XV : perpendiculaire commune à l‟axe ZV et à la ligne passant par la base des pédicules, dirigée vers l‟avant
● Axe YV : complète le repère pour qu‟il soit orthonormé et direct
Anatomie descriptive du rachis sain
Le rachis, ou colonne vertébrale, est le pilier du corps humain. C‟est une structure ostéoarticulaire à la fois résistante et flexible. Implanté sur le bassin, il est le mât de fixation de nombreux muscles et ligaments indispensables au maintien de la posture verticale et à la locomotion. Le rachis soutient ainsi les éléments supérieurs du corps (tête, membres supérieurs, cage thoracique), permettant leur mobilité et assurant la transmission des charges imposées aux membres supérieurs quelle que soit leur position. Il assure de plus la protection de la moelle épinière située dans le canal médullaire ou canal vertébral. Le rachis est composé, de haut en bas, de 7 vertèbres cervicales (nommées C1 à C7), 12 vertèbres thoraciques (T1 à T12), 5 vertèbres lombaires (L1 à L5) et 5 vertèbres sacrées fusionnées (sacrum).
Posture rachidienne
Au regard de la stabilité, et afin de maintenir l‟équilibre postural en positionnant la tête et le bassin au dessus du polygone de sustentation, le rachis sain est aligné dans le plan frontal et présente une succession de courbures alternées dans le plan sagittal (Figure 4). Parmi ces courbures, on distingue la lordose cervicale, la cyphose thoracique, la lordose lombaire et la cyphose sacrée. Ces quatre portions sont différentiables par la forme des vertèbres qui les composent ainsi que par leurs mobilités intervertébrales.
Les vertèbres
Malgré les différences que l‟on peut observer entre les niveaux vertébraux, toutes les vertèbres à l‟exception des deux premières vertèbres cervicales présentent une architecture générale identique (Figure 5). La partie antérieure de la vertèbre constitue le corps vertébral. En arrière du corps vertébral, l‟arc postérieur, ou arc neural est composé des pédicules et des lames vertébrales. Sur cet arc neural viennent se fixer deux apophyses articulaires (composées chacune d‟une apophyse articulaire inférieure et supérieure, deux apophyses transverses et une apophyse épineuse).
Les articulations intervertébrales
Les vertèbres s‟articulent par l‟intermédiaire du disque intervertébral et des facettes articulaires inférieures et supérieures. Le disque intervertébral (Figure 6) est composé de deux parties, le nucleus pulposus (noyau gélatineux) et l‟annulus fibrosus (anneau périphérique composé de fibres concentriques, obliques et croisées).
La forme et l‟orientation des facettes articulaires évoluent en fonction des niveaux vertébraux, favorisant ou limitant les mouvements entre les vertèbres (Figure 7). Au niveau des vertèbres cervicales inférieures (C3 à C7), les facettes articulaires sont contenues dans des plans obliques (orientés fortement vers le haut et légèrement vers l‟arrière pour les facettes supérieures et orientés fortement vers le bas et légèrement vers l‟avant pour les facettes inférieures), conduisant à un couplage des mouvements d‟inclinaison et de rotation axiale. Concernant les vertèbres thoraciques, les facettes articulaires sont contenues dans une surface cylindrique centrée sur le corps vertébral (regardant fortement en arrière et légèrement en haut pour la facette supérieure et regardant fortement en avant et légèrement vers le bas pour la facette inférieure), limitant le mouvement d‟extension et favorisant la flexion. La rotation axiale des vertèbres, d‟une trentaine de degrés (Kapandji, 2003), a ainsi lieu autour d‟un axe situé dans le disque intervertébral qui est alors sollicité en torsion. L‟amplitude des mouvements est néanmoins limitée par le thorax. En effet, au niveau des vertèbres thoraciques sont articulées les côtes, formant la cage thoracique, protectrice des appareils respiratoire et cardiaque. Enfin, les facettes articulaires des vertèbres lombaires sont contenues dans une surface cylindrique centrée dans l‟arc postérieur (regardant fortement en dedans et légèrement en arrière pour la facette supérieure et regardant fortement en dehors et légèrement en avant pour la facette inférieure) favorisant flexion, extension et inclinaison latérale. Ces mobilités des vertèbres lombaires sont également favorisées par une hauteur de disque importante. La rotation axiale des vertèbres a lieu autour d‟un axe situé, dans ce cas, en zone postérieure sollicitant ainsi le disque intervertébral en cisaillement, ce qui limite fortement ce mouvement (à environ 5°, (Kapandji, 2003)).
Le bassin
Le bassin est le véritable socle du tronc, transition entre le rachis et les membres inférieurs. Il est composé du sacrum, des os coxaux gauche et droit et du coccyx. Le sacrum, composé de cinq vertèbres soudées, est la continuité du rachis. Il est articulé par un disque et deux facettes articulaires avec la dernière vertèbre lombaire. Le coccyx en est le prolongement inférieur et n‟a pas de rôle fonctionnel particulier. De part et d‟autre du sacrum sont articulés les os coxaux (au niveau d‟une articulation sacro-iliaque dont la mobilité est limitée). Ces os sont formés par l‟ilion (partie supérieure où s‟insèrent de nombreux muscles et ligaments du rachis), l‟ischion (partie postéro–inférieure sur laquelle repose le bassin en position assise) et le pubis (partie antéro–inférieure). Ces os sont également le moyen d‟attache des membres inférieurs au tronc, au niveau des articulations coxo–fémorales.
Pris dans son ensemble, au regard de ses mobilités et de son rôle dans la stabilité du tronc , le bassin peut être considéré comme une vertèbre supplémentaire, la vertèbre pelvienne.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 BIBLIOGRAPHIE
1 ANATOMIE / PATHOLOGIES DU RACHIS
1.1 Les repères anatomiques du rachis
1.1.1 Repère de référence du corps humain en posture debout
1.1.2 Repères spécifiques du rachis
1.1.2.1 Repère local vertébral (Figure 2-a)
1.1.2.2 Repère régional (Figure 2-b)
1.1.2.3 Repère spinal (Figure 2-c)
1.1.2.4 Repère global (Figure 2-d)
1.2 Anatomie descriptive du rachis sain
1.2.1 Posture rachidienne
1.2.2 Les vertèbres
1.2.3 Les articulations intervertébrales
1.2.4 Le bassin
1.2.5 Aspects ligamentaires et musculaires
1.2.6 Aspects neurologiques
1.3 Le rachis pathologique
1.3.1 Troubles de la posture et des mobilités rachidiennes
1.3.2 La scoliose
1.3.2.1 Définition
1.3.2.2 Déformations globales
1.3.2.3 Déformations locales
1.3.2.4 Classifications 3D des scolioses
1.4 Conclusion sur la partie d’anatomie
2 ANALYSE CLINIQUE
2.1 Méthodes de mesures du rachis et du dos en posture et en mobilité
2.1.1 Radiographie conventionnelle
2.1.1.1 Principe général
2.1.1.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.2 Radiographie biplane
2.1.2.1 Principe général
2.1.2.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.3 Tomodensitométrie (ou scanner ou CT-scan)
2.1.3.1 Principe général
2.1.3.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.4 Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM)
2.1.4.1 Principe général
2.1.4.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.5 Outils de « mesure directe » des paramètres externes
2.1.5.1 Principe général
2.1.5.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.6 Acquisitions optiques de la surface du dos (franges de Moiré, lumière structurée…)
2.1.6.1 Principe général
2.1.6.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.7 Acquisitions de la surface du tronc complet
2.1.7.1 Principe général
2.1.7.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.8 Acquisitions de mobilités / acquisitions dynamiques
2.1.8.1 Principe général
2.1.8.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.9 Conclusion sur les systèmes d’acquisition du rachis et du dos
2.2 Paramètres cliniques du rachis et du dos
2.2.1 Paramètres cliniques du rachis
2.2.1.1 Paramètres dans le plan frontal
2.2.1.2 Paramètres dans le plan sagittal
2.2.1.3 Paramètres dans le plan transversal
2.2.1.4 Paramètres 3D
2.2.2 Paramètres cliniques de la surface du dos et du tronc
2.2.2.1 Paramètres dans le plan frontal
2.2.2.2 Paramètres dans le plan sagittal
2.2.2.3 Paramètres dans le plan transversal
2.3 Relations internes – externes
2.3.1 Tableau de synthèse de la littérature
2.3.2 Points à retenir
2.3.3 Faisabilité
3 PREDICTION DE LA CONFIGURATION DU RACHIS A PARTIR DE DONNEES EXTERNES
3.1 Méthodes de reconstruction 3D du rachis à partir de données uniquement externes
3.1.1 Tableau de synthèse de la littérature
3.1.2 Points à retenir
3.1.3 Faisabilité
3.2 Modèles biomécaniques 3D du rachis et simulation de son évolution
3.2.1 Tableau de synthèse de la littérature
3.2.2 Points à retenir
3.2.3 Faisabilité
3.3 Conclusion sur les modèles de prédiction de la configuration du rachis
CHAPITRE 2 ETUDE CLINIQUE : PARAMETRES ET CORRELATIONS INTERNES / EXTERNES DU RACHIS
1 PRISE EN MAIN ET DEVELOPPEMENT D’OUTILS DE MESURE
1.1 Biomod 3S : validation
1.1.1 Principe d’acquisition et de reconstruction de Biomod 3S
1.1.2 Le marquage CE
1.1.3 Validation technique de Biomod 3S
1.1.3.1 Validation de la justesse des mesures
1.1.3.2 Validation de la précision de la reconstruction 3D Biomod 3S/E
1.1.3.3 Comparaison de la validation de la reconstruction 3D obtenue avec Biomod 3S/E par rapport aux autres reconstructions issues de la littérature
1.1.4 Conclusions sur mon rôle au niveau du produit Biomod 3S
1.2 Biomod L : développement et validation
1.2.1 Principe d’acquisition et d’exploitation de Biomod L
1.2.2 Validation de Biomod L
1.2.3 Les différentes étapes du développement de Biomod L
1.2.4 Conclusions sur mon rôle au niveau du produit Biomod L
1.3 Biomod : générations futures, projets en cours
1.3.1 Reconstruction 3D du tronc complet
1.3.2 Mobilités
1.3.3 Dynamique
2 ETUDE STATISTIQUE CHEZ UNE POPULATION SCOLIOTIQUE IDIOPATHIQUE
2.1 Méthodologie
2.1.1 Les patients
2.1.2 Les paramètres étudiés
2.1.3 L’exploitation des données
2.2 Résultats
2.2.1 Résultats principaux concernant les corrélations internes – externes
2.2.2 Détail des corrélations angles Biomod / angles de Cobb
2.2.3 Autres corrélations fortes de l’angle Biomod maximal
2.2.4 Corrélation entre les déviations latérales maximales
2.2.5 Corrélation entre l’asymétrie des triangles de taille et la déviation vertébrale latérale
2.2.6 Corrélation entre la gibbosité et la rotation axiale maximales
2.3 Discussion et conclusions sur l’étude statistique
CHAPITRE 3 DEVELOPPEMENT ET VALIDATION D’UN MODELE DE PREDICTION DE LA CONFIGURATION DU RACHIS A PARTIR DE MESURES DE LA SURFACE DU DOS
1 DEVELOPPEMENT DU MODELE
1.1 Mise en place du modèle
1.1.1 Paramètres, contraintes et équations à vérifier
1.1.1.1 Paramètres
1.1.1.2 Contraintes de corps rigides
1.1.1.3 Contraintes cinématiques
1.1.1.4 Contraintes motrices
1.1.1.5 Efforts liés aux raideurs articulaires
1.1.1.6 Autres efforts appliqués au modèle : « relations internes-externes »
1.1.1.7 Equations de la dynamique
1.1.1.8 Résumé
1.1.2 Mise en place des équations
1.1.2.1 Calcul des paramètres vertébraux Li, i et βi
1.1.2.2 Expression des matrices de changement de base
1.1.2.3 Calcul des coordonnées nPi d’un point Pi dans le repère non orthonormé d’une vertèbre
1.1.2.4 Détermination de la rotation de la vertèbre i par rapport à la vertèbre i-1 dans le mouvement du temps t au temps t+1
1.1.2.5 Calcul des efforts généralisés
1.1.2.6 Calcul de la matrice Jacobienne des contraintes et de sa dérivée
1.1.2.7 Equations à vérifier
1.2 Résolution des équations
1.2.1 Méthode d’optimisation
1.2.1.1 Ecriture de la fonction
1.2.2 Résolution des équations de la dynamique
1.2.2.1 Méthode des multiplicateurs de Lagrange
1.2.2.2 Détermination des paramètres et des vitesses au temps t+Δt
1.2.2.3 Stabilisation des contraintes et convergence de la solution
1.2.2.4 Résumé : résolution des équations de la dynamique
1.2.3 Choix final de la méthode de résolution
2 VALIDATION DU MODELE SUR SUJETS SAINS
2.1 Les données du projet Vudegfem
2.2 Méthode
2.3 Résultats
3 APPLICATION DU MODELE SUR UN SUJET PATHOLOGIQUE
3.1 Empreinte initiale
3.2 Position finale
3.3 Recalage des données dans l’espace
3.4 Exécution du modèle
4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES CONCERNANT LE MODELE
4.1 Le modèle réalisé
4.2 Les limites et perspectives du modèle
4.2.1 Raideurs intervertébrales
4.2.2 Masse des vertèbres
4.2.3 Approximation liaison rotule / Position du centre de rotation
4.2.4 Détermination du pas de temps Δt pour la résolution des équations
4.2.5 Choix des relations internes – externes
4.2.6 Raideurs utilisées pour les relations internes – externes
4.2.7 Application au suivi de pathologies rachidiennes
4.2.8 Prise en compte de la croissance
CONCLUSION GENERALE
