Soutenance mémoire
Propriétés en compression transverse
Très peu d’études se sont intéressées aux propriétés de la moelle épinière (ensemble pie-mère, matière grise, matière blanche) en compression transverse. Ceci est principalement dû à la difficulté d’une telle caractérisation. Comme abordé précédemment, les propriétés mécaniques viscoélastiques sont décrites et interprétées après avoir calculé les contraintes et déformations subies par l’échantillon. Cependant, lors de sollicitations en compression transverse, il est très difficile de convertir la force exercée sur la moelle épinière en contraintes globales (Bartlett et al., 2016; L.-E. Bilston, 2011). En effet, les contraintes globales peuvent être calculées lorsque le chargement est appliqué sur toute la section de l’échantillon à tester. De plus, la section subissant la compression doit rester constante durant toute la compression. En raison de la géométrie globale complexe de la moelle et de la sollicitation mécanique (type indentation), ces deux conditions ne sont pas respectées et les effets de bords sont importants.
Ainsi, convertir directement les courbes force/déplacement en courbes contraintes/déformations de manière classique est théoriquement incorrect. Deux études ont tout de même effectué des tests de caractérisation la moelle épinière en compression transverse grâce à des essais de type indentation (Fradet, Cliche, Petit, Mac-Thiong, & Arnoux, 2016; T. K. Hung et al., 1982). Hung et al. (1982) s’est concentré sur des compressions quasi-statiques in vivo sur des chats. Cette étude a rapporté un comportement non-linéaire (J-shaped) de la courbe contrainte déformation, similaire à la moelle épinière en tension. Cependant, contrairement aux résultats de la moelle en tension et d’après l’auteur, le taux de déformation n’a aucune influence en compression. Ces conclusions ne rejoignent pas celles plus récentes de Fradet et al. (2016), qui signale un changement significatif des propriétés de la moelle épinière en fonction du taux de chargement.
Les conclusions de Hung et al. (1982) sont certainement biaisées et faussées par l’utilisation de taux de déformation quasi-statiques qui varie peu. En effet, la variation des taux de déformation est sans doute trop faible pour voir une différence dans les propriétés mécaniques de la moelle épinière (< 0,0084 s-1). De plus, un grand biais d’échantillonnage est présent lors de ces essais puisqu’un seul chat a été utilisé pour caractériser l’influence du taux de déformation sur les propriétés mécaniques. Bien que réalisé in vitro, Fradet et al. (2016) ont pris soin de limiter l’impact de la dégradation post-mortem des échantillons de moelle porcine utilisés. En effet, durant toute la durée des tests, les échantillons de moelle épinière étaient maintenus dans une solution physiologique (solution saline) à température corporelle (37C). De plus, tous les tests ont été réalisés au maximum 2h après le sacrifice de l’animal. Une particularité également intéressante de cette étude réside dans les taux élevés de déformation utilisés pour comprimer la moelle (entre 5 et 50 s-1). Ces derniers sont très représentatifs de ceux mis en jeu lors des traumatismes vertébraux (L.-E. Bilston, 2011).
Enfin, la compression a été réalisée jusqu’à 90%, sans oublier qu’il s’agit de la première étude à avoir étudié l’influence du segment vertébral sur les propriétés mécaniques. Ainsi, la moelle épinière au niveau cervical est plus rigide qu’au niveau thoracique. Ces résultats sont synthétisés à la Figure 1.13. À priori, il semble qu’aucun essai de relaxation de contraintes sur la moelle épinière en compression transverse n’a été effectué à ce jour. En résumé, la moelle épinière possède un comportement viscoélastique complexe (relaxation de contraintes, influence de la déformation et du taux de déformation sur la rigidité). Ce comportement est en partie caractérisé et décrit par les courbes contraintes/déformations à différents taux de déformation. Le degré de validité de ces courbes dépend du type de chargement utilisé (tension uniaxiale ou compression par indentation). De plus, ces essais de caractérisation mécanique souffrent souvent de biais expérimentaux (échantillonnage, dégradation post mortem, échantillons issus d’animaux, taux de déformations nonreprésentatifs…) pouvant influencer les résultats. Ainsi, il n’existe pas à ce jour de consensus sur les propriétés mécaniques de la moelle épinière (Bartlett et al., 2016).
Études de la FVC
De multiples auteurs ont étudié la biomécanique des FVC. Pour ce faire, des fractures ont été reproduites in vitro sur des segments cadavériques de colonnes vertébrales, sur lesquels la moelle épinière et les tissus mous environnants ont été soigneusement enlevés. Ces études se concentrent sur différentes caractéristiques de la fracture dont les efforts mis en jeu sur les structures osseuses (Hongo et al., 1999; Ochia & Ching, 2002) et la stabilité post-fracture (Panjabi, Kato, Hoffman, Cholewicki, & Krag, 2000; Tsai, Chang, & Lin, 1997). D’autres études cherchent à déterminer les paramètres biomécaniques de la fracture qui ont une influence sur le degré d’atteinte de la moelle épinière : vitesse du fragment osseux, occlusion du canal (Panjabi et al., 1995; Wilcox et al., 2002), géométrie du fragment (Wu et al., 2014), etc. Ces paramètres sont très importants car ils renseignent sur les sollicitations mécaniques subies par la moelle épinière. En effet, l’étude de la vitesse du fragment renseigne sur le taux de déformation subie par la moelle épinière. L’occlusion du canal renseigne sur la compression de la moelle épinière et la géométrie du fragment influe sur la répartition de contraintes dans la moelle. Cependant, il n’existe pas de consensus dans ces études. Ceci est très certainement dû à leur grande sensibilité aux conditions de chargement extérieures tels que le taux de chargement (Tran, Watson, Tencer, Ching, & Anderson, 1995), l’énergie mise en jeu (Ivancic, 2014) et la direction du chargement (Boisclair, Mac-Thiong, Parent, & Petit, 2013; Zhu et al., 2008).
La détermination de ces paramètres biomécaniques est difficile mais très importante pour la compréhension de la biomécanique de la fracture. D’autre part, pour étudier l’atteinte neurologique des FVC, les auteurs sollicitent la moelle en compression transverse et évaluent ensuite les conséquences neurologiques d’une telle sollicitation. Plusieurs techniques ont été utilisées pour effectuer cette sollicitation mécanique de la moelle épinière : avec un impacteur (Stokes, 1992), une pince (Zurita et al., 2012) ou même des ballons gonflables (Purdy et al., 2004). Lorsque la compression est réalisée à l’aide d’un impacteur, ce dernier est commandé à l’aide d’une masse relâchée sur la moelle épinière ou à l’aide d’un impacteur électromagnétique. Ainsi, il est commun de solliciter artificiellement la moelle épinière en compression transverse avec des impacteurs de géométries différentes pour simuler la compression du fragment osseux d’une FVC. Enfin, même si l’étude de certains paramètres biomécaniques renseigne sur les déformations subies par la moelle épinière, nous remarquons la totale absence d’études sur les interactions entre la moelle épinière et le rachis durant une FVC. Ainsi, les liens de causes à effets entre les patrons de FVC et les blessures médullaires sont encore très mal compris (Boisclair, 2012; Panjabi et al., 1995; Wilcox et al., 2004)
Mesure de l’occlusion du canal rachidien
La connaissance de la compression médullaire lors d’un traumatisme se révèle très importante d’un point de vue clinique et neurologique. Cette partie de la revue de la littérature s’intéresse à tous les systèmes de mesure ayant pour but de quantifier la compression médullaire lors d’un traumatisme. A l’instar des cliniciens qui utilisent la mesure de l’obstruction du canal rachidien (par IRM, TDM ou rayons X) pour quantifier la compression médullaire, toutes les techniques présentées ici sont des techniques expérimentales de mesure de l’occlusion du canal. Chang et al. (1994) a été le premier à développer un outil de mesure qui puisse donner accès à l’occlusion du canal rachidien en dynamique (Figure 1.16). Il a utilisé un tube creux en polymère flexible qu’il a inséré dans un segment vertébral à l’intérieur même du canal rachidien. Le tube est relié à un circuit fermé dans le lequel un fluide circule à un débit constant. Durant les simulations de traumatismes effectués sur le segment vertébral, les fragments osseux expulsés dans le canal rachidien compriment le tube et augmentent ainsi la pression du fluide. La variation de pression du fluide est alors mesurée par un capteur de pression situé dans le circuit fermé. L’évolution de la variation de pression du fluide en fonction de l’occlusion du canal est logarithmique. Une des principales limites de ce capteur est son étendue de mesure. Le capteur est seulement capable de mesurer une occlusion maximale du tube de 55% (D. G. Chang et al., 1994). De plus, le tube utilisé ne remplit pas totalement le canal rachidien. L’occlusion du tube diffère donc de l’occlusion du canal rachidien. Enfin, la réponse du système est lente, présentant un temps de réponse supérieur à 5ms. Cette technologie a ensuite été utilisée à plusieurs reprises (Carter, Mirza, Tencer, & Ching, 2000; Ching, Watson, Carter, & Tencer, 1997) et améliorée (Carter et al., 2000). Ainsi, le nouveau capteur développé dans une étude similaire réalisée par Carter et al. (2000) permettait de mesurer l’occlusion du tube jusqu’à 75%.
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Table des matières
INTRODUCTION
REVUE DES CONNAISSANCES
1.1 Anatomie descriptive et fonctionnelle de la colonne vertébrale
Système osseux
Système articulaire du rachis
Système nerveux du rachis
1.1.3.1 La moelle épinière
1.1.3.2 Les nerfs rachidiens
1.2 Propriétés de la moelle épinière
Propriétés géométriques de la moelle épinière
Propriétés mécaniques de la moelle épinière
1.2.2.1 Propriétés en tension
1.2.2.2 Propriétés en compression transverse
1.3 Fractures vertébrales comminutives
Classification des traumatismes
Épidémiologie de la FVC
Biomécanique de la FVC
Caractéristiques cliniques de la FVC
Études de la FVC
1.4 Mesure de l’occlusion du canal rachidien
1.5 Substituts de moelle épinière
Substituts de moelle épinière mécaniquement fidèles
Substituts de moelle épinière mesurant les déformations de la moelle
1.6 Résumé de la revue de littérature
PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS
2.1 Problématique
2.2 Objectifs
2.3 Approche méthodologique
CAHIER DES CHARGES
3.1 Clients, marché et contraintes
3.2 Description des attributs et spécifications techniques
3.3 Priorisation des spécifications techniques
3.4 Diagramme de Pareto
3.5 Barème
CONCEPTION DU SUBSTITUT DE MOELLE ÉPINIÈRE INSTRUMENTÉ
4.1 Sélection du matériau
Processus de sélection
Caractérisation mécanique du matériau Soma Foama 15
4.1.2.1 Matériels et méthodes
4.1.2.2 Résultats et interprétations
Conclusion
4.2 Sélection de la technique de mesure
Concepts
4.2.1.1 Capteur résistif
4.2.1.2 Capteur inductif
4.2.1.3 Capteur optique
4.2.1.4 Capteurs capacitifs
Évaluation des concepts
Conclusion
4.3 Conception, fabrication et évaluation de prototypes fonctionnels de SMEI
Conception des prototypes de SMEI
Méthode d’évaluation des prototypes de SMEI
Résultats de l’évaluation des prototypes
4.4 Conception et fabrication finales du SMEI
METHODE D’EVALUATION DE PERFORMANCE DU SUBSITUT DE MOELLE EPINIERE INSTRUMENTÉ
5.1 Description du banc d’essai
5.2 Protocole de test
Étalonnage
Test de validation
Autres tests d’évaluation des spécifications techniques restantes du cahier des charges
5.2.3.1 Test de rapidité
5.2.3.2 Test de répétabilité et de reproductibilité
5.2.3.3 Test mécanique
5.3 Analyse des données
Étalonnage
Validation
Rapidité
Reproductibilité et répétabilité
RÉSULTATS DE L’ÉVALUATION DE PERFORMANCE DU SUBSITUT DE MOELLE EPINIERE
6.1 Étalonnage
6.2 Validation
6.3 Détermination des spécifications techniques du cahier des charges
Écart de mesure Δmrépet
Temps de réponse à 5 %
ICC
Ratios géométriques, nombre de composants du capteur et de la chaine de mesure
Écart de mesure Δmrepro
6.4 Évaluation des performances du SMEI
DISCUSSION
7.1 Discussion sur les résultats
Étalonnage et validation
Performance du SMEI par rapport au cahier des charges
7.2 Limites méthodologiques de l’étude
7.3 Importance et portée du travail
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES MOUSSES D’ÉLASTOMÈRE FOURNIES PAR LES FABRICANTS
ANNEXE II DÉTAILS TECHNIQUES DU MATÉRIAU LINQSTAT
ANNEXE III DÉTERMINATION DES SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES NON PRISES EN COMPTE DANS L’ÉVALUATION DES PERFORMANCES DE LA SOLUTION FINALE
LISTES DES RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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