Lésions de la moelle épinière et critère de lésion neurologique

L’os vertébral

Toutes les vertèbres possèdent une même structure de base (voir Figure 1.1). Elles se composent d’un corps vertébral, qui constitue la région portante, et en arrière d’un arc vertébral. Le corps vertébral et l’arc vertébral délimitent le trou vertébral ou foramen vertébral. La succession des trous vertébraux forme le canal vertébral qui renferme la moelle épinière. Il est important de noter que les vertèbres cervicales, thoraciques et lombaires ont des géométries légèrement différentes les unes des autres, en particulier l’orientation des facettes articulaires varie en fonction du niveau vertébral. L’arc vertébral est composé de trois processus et de deux lames. Le corps vertébral et l’arc vertébral sont reliés par les pédicules vertébraux. Les pédicules sont des petits cylindres osseux qui prolongent le corps vertébral vers l’arrière. Enfin, sur l’arc vertébral s’attachent les processus transverses, le processus épineux et les facettes articulaires. Ces dernières participent aux liaisons intervertébrales. L’aspect extérieur des vertèbres pourrait porter à croire que leur structure est homogène et isotrope. Cependant, chaque vertèbre est composée d’os cortical et d’os spongieux. L’os cortical est la partie dure et résistante de l’os, formant une coque externe mince autour de la vertèbre. Au niveau des plateaux vertébraux, son épaisseur varie entre 0,15 et 3,18 mm (Zhao, Pollintine et al. 2009). L’os spongieux est moins dense que l’os cortical et est présent essentiellement dans le corps vertébral de la vertèbre. Il est constitué de lamelles osseuses appelées trabécules, assimilables à des poutres. La répartition des trabécules dans le corps vertébrale est inhomogène et isotrope (Gong, Zhang et al. 2007). Leur organisation et leur orientation sont régies par les contraintes mécaniques exercées sur le corps vertébral (Wolff, Maquet et al. 1986).

Les disques intervertébraux

La taille des disques augmente depuis le haut jusqu’au bas du rachis, avec approximativement 45 mm en dimension antéropostérieure, 64 mm de large et 11 mm d’épaisseur dans la région lombaire. Chaque disque intervertébral ressemble à un coussinet constitué de deux parties; le noyau pulpeux et l’anneau discale (voir Figure 1.2). Le noyau pulpeux occupe la zone centrale; c’est une masse gélatineuse hydrophile qui procure au disque une certaine élasticité et compressibilité. Il contient près de 85% d’eau. Par ailleurs, il n’existe pas de limite nette entre le noyau et l’anneau discal mais une zone de transition. Le noyau est entouré d’une zone périphérique de fibres de collagène et de cartilage fibreux résistant : l’anneau fibreux. L’anneau fibreux est souvent considéré comme un composite multicouches. Dans chaque couche, les fibres de collagène sont orientées dans le même sens mais cette orientation change d’une couche à l’autre. Cette organisation confère au disque intervertébral sa résistance et sa rigidité. L’activité physique et les phases de repos entraînent des cycles de chargement mécanique et provoquent ainsi des circulations de fluide entre le disque et les vertèbres.

Les disques solidarisent les vertèbres et résistent à la tension dans la colonne vertébrale, ils font office d’amortisseurs lors de l’activité physique, ils permettent à la colonne vertébrale de fléchir, de s’étendre et de se pencher sur le côté. En position debout, le disque intervertébral est principalement soumis à des contraintes compressives. Le comportement mécanique du disque intervertébral est viscoélastique. La viscoélasticité concerne les matériaux biphasiques se comportant comme un fluide visqueux et un solide élastique. Elle se traduit par une réponse variant dans le temps lors de l’application d’une contrainte ou d’une déformation constante. On distingue le fluage, ou phénomène de déformation croissante lorsqu’une contrainte constante est appliquée, de la relaxation de contraintes, ou phénomène de diminution des contraintes lorsqu’une déformation constante est appliquée.

Les ligaments

La colonne vertébrale est maintenue par un système complexe de ligaments dont les principaux sont les ligaments longitudinaux antérieur et postérieur (voir Figure 1.3). Il existe aussi les ligaments inter et supra épineux, les ligaments jaunes, les ligaments inter apophysaires et les ligaments capsulaires (voir Figure 1.4). Le ligament longitudinal antérieur est amarré à la base du crâne par son extrémité supérieure et à la face antérieure du sacrum par son extrémité inférieure. Il s’élargit graduellement de haut en bas en adhérant fortement aux corps vertébraux. Ce ligament empêche l’hyper extension de la colonne. Le ligament longitudinal postérieur est disposé sur la face postérieure des corps vertébraux. Tout comme le ligament longitudinal antérieur, il est solidaire tout le long de la colonne des corps vertébraux et des disques intervertébraux. Le ligament longitudinal postérieur s’oppose lui a l’hyper flexion de la colonne, il est plus étroit et moins résistant que le ligament longitudinal antérieur. Les ligaments inter-épineux et supra-épineux s’étendent entre les processus épineux des vertèbres adjacentes. Ils s’insèrent sur toute la hauteur du processus épineux. Les ligaments jaunes relient entre elles les lames des deux vertèbres adjacentes. Ces ligaments minces sont essentiellement composés de tissu élastique et participent à la formation de la paroi extérieure du canal vertébral. Ces ligaments empêchent l’écartement des lames lors des mouvements de flexion et guident le retour à la position anatomique lors de l’extension. Les ligaments inter-apophysaires sont des ligaments de petites tailles qui relient les apophyses transverses. Les ligaments capsulaires maintiennent le contact entre les processus articulaires.

Classification des lésions du rachis

Après avoir analysé les propriétés anatomiques et mécaniques des différentes structures anatomiques concernées, un état des connaissances portant sur les types de lésions rachidiennes a été fait. L’analyse des fractures du rachis se fait à travers différents outils d’imagerie. En effet, c’est l’analyse des radiographies standard de face et de profil, des images de la tomodensitométrie (CT-scan) ou encore des images par résonance magnétique (IRM) qui permet de caractériser une fracture. Généralement, pour définir et classer une fracture, on observe dans un premier temps le système osseux, puis le complexe ligamentaire et enfin l’atteinte neurologique. L’historique des classifications reflète les évolutions dans la compréhension des mécanismes lésionnels grâce aux progrès des techniques d’observation des fractures. En 1930, la première classification des fractures du rachis est proposée (Bohler 1930), qui distingue cinq types de lésions: les fractures en compression, en flexion-distraction, extension, cisaillement et rotation. De nombreux auteurs ont par la suite fait des propositions de classification; parmi celles-ci on retrouve chronologiquement la classification de Denis (Denis 1983), la classification AO (Magerl, Aebi et al. 1994), la classification TLISS/TLICS (Vaccaro, Lehman et al. 2005).

La première classification à rencontrer un succès auprès des praticiens est la classification de Denis (Denis 1983), datée de 1983, basée sur un système à trois colonnes. Cette classification a un objectif d’aide à la décision auprès des médecins et repose sur le principe suivant : une lésion traumatique se retrouvant dans deux colonnes (ou plus) est instable et nécessite un traitement chirurgical. L’auteur a aussi décrit quatre lésions majeures: les compressions simples (mécanisme de compression, flexion), les burst (compression axiale), les seat-belt type fracture (flexion–distraction) et les fractures–dislocation.

En 1994, une classification (AO) utilisant un schéma plus détaillé est publiée (Magerl, Aebi et al. 1994). Il décrit trois types de fractures principales comprenant chacun trois groupes, puis trois sous-groupes, ce qui fait un total de 27 lésions différentes décrites. Les trois types principaux de fractures correspondent à des mécanismes en compression, en distraction et en rotation. Cette classification possède l’avantage pour un mécanicien d’être très descriptive bien que complexe pour un praticien. Enfin, en 2005 un groupe de chirurgiens publie une nouvelle classification (Vaccaro, Lehman et al. 2005) intitulée thoracolumbar injury classification and severity score (TLISS et TLICS) qui a pour vocation de simplifier les classifications et ainsi d’avoir plus de portée au niveau de l’aide à la décision des praticiens. Le principe repose sur un total de points. Un certain nombre de points est attribué en fonction de l’atteinte neurologique, du type de fracture et de l’atteinte du complexe ligamentaire postérieur (PLC). En fonction du nombre de points obtenu, le chirurgien décidera ou non d’opérer. Pour ce projet, la classification de Magerl a été préférée notamment parce que Magerl fournit une description exhaustive des différents types de fracture. Elle superpose une classification descriptive des différents types de blessure à une analyse des mécanismes « cinématiques » de la fracture.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITÉRATURE
1.1 Anatomie et biomécanique du rachis thoracolombaire
1.1.1 L’os vertébral
1.1.2 Les disques intervertébraux
1.1.3 Les ligaments
1.1.4 La mobilité du rachis
1.2 Anatomie et histologie du système nerveux central
1.2.1 La moelle épinière
1.2.2 Les racines nerveuses
1.2.3 Insertion de la moelle épinière dans le rachis
1.2.4 Pie mère
1.2.5 Dure mère
1.2.6 Liquide céphalo-rachidien (LCR)
1.2.7 Structures ligamentaires
1.3 Propriétés mécaniques du SNC
1.3.1 Moelle épinière
1.3.2 Structures anatomiques environnantes
1.4 Classification des lésions du rachis
1.5 Lésions de la moelle épinière et critère de lésion neurologique
1.6 Modèles par éléments finis du rachis
1.6.1 Corps vertébraux ou vertèbres isolées
1.6.2 Unités fonctionnelles (2 ou 3 vertèbres)
1.6.3 Rachis complet ou humain complet
1.7 Modèles éléments finis du système nerveux central
1.7.1 Modèles de moelle isolée
1.7.2 Modèle de SNC et rachis
1.8 Bilan sur la littérature
CHAPITRE 2 HYPOTHESES ET OBJECTIFS
CHAPITRE 3 PREDICTION OF BONE ANISOTROPIC MECHANICAL PROPERTIES IN OSTEOPOROTIC HUMAN VERTEBRAL BODY FROM MICROSTRUCTURAL PARAMETERS
3.1 Introduction
3.2 Methods
3.3 Results and Discussion
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 REGIONAL DISTRIBUTION OF ANISOTROPIC MECHANICAL PROPERTIES IN THE VERTEBRAL BODY TRABECULAR BONE FROM MIROSTRUCTURAL PARAMETERS
4.1 Introduction
4.2 Material and methods
4.3 Results
4.4 Discussion
CHAPITRE 5 BIOMECHANICS OF THORACOLUMBAR JUNCTION VERTEBRAL FRACTURES FROM VARIOUS KINEMATIC CONDITIONS
5.1 Introduction
5.2 Methods
5.3 Results
5.4 Discussion
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 MORPHOMETRICS OF THE ENTIRE HUMAN SPINAL CORD AND SPINAL CANAL MEASURED FROM IN VIVO HIGH RESOLUTION ANATOMICAL MRI
6.1 Introduction
6.2 Material and methods
6.2.1 MR protocol
6.2.2 Post processing and statistical analyses
6.3 Results
6.3.1 SC measurements
6.3.2 Leave one out analysis and SC invariants
6.3.3 CSF and spinal canal
6.3.4 Inter-observer reliability
6.4 Discussion
CHAPITRE 7 DYNAMIC PROPERTIES OF THE PORCINE SPINAL CORD UNDER TRANSVERSE COMPRESSION DEPENDING ON STRAIN RATE
7.1 Introduction
7.2 Material and methods
7.3 Results
7.4 Discussion
7.5 Conclusion
CHAPITRE 8 NUMERICAL STUDY OF SPINAL CORD CONTUSION: MECHANICAL CHARACTERISTICS AND PROTECTIVE ROLE OF CEREBROSPINAL FLUID
8.1 Introduction
8.2 Material and methods
8.3 Results
8.4 Discussion
CHAPITRE 9 DEVELOPPEMENT D’UN CRITERE DE LESION MEDULLAIRE TRAUMATIQUE PAR APPROCHE COMBINEE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE
9.1 Introduction
9.2 Matériel et méthode
9.2.1 Modèle expérimental de contusion
9.2.2 Suivi post-trauma
9.2.3 Modèle par éléments finis
9.3 Résultats
9.4 Discussion
9.5 Conclusion
CHAPITRE 10 DISCUSSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 REVUE DES PROTOCOLES DÉSSAIS MECANIQUES SUR LA MOELLE EPINIERE
10.1 Traction
10.1.1 Bilston et Thibault (Bilston and Thibault 1996)
10.1.2 Fiford et Bilston (Fiford and Bilston 2005)
10.1.3 Galle (Galle, Ouyang et al. 2007)
10.1.4 Ichihara(Ichihara, Taguchi et al. 2001)
10.1.5 Oakland (Oakland, Hall et al. 2006)
10.2 Compression
10.2.1 Galle (Galle, Ouyang et al. 2007)
ANNEXE 2 COMPLEMENTS AU CHAPITRE 6 (“supplementary digital content” – SDC)
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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