Techniques de reproduction in vitro de fractures en compression

Disque intervertébral

Le disque intervertébral est situé entre les plateaux supérieurs et inférieurs de vertèbres superposées et représente le tiers de la hauteur totale du corps vertébral d’une vertèbre lorsque l’ensemble est au repos (Kunkel et al., 2011). Il a pour fonction d’absorber et de répartir les chargements et les chocs répétés du quotidien qui s’exercent sur les vertèbres. Il permet également la mobilité selon les six degrés de liberté des vertèbres les unes par rapport aux autres. Le disque intervertébral est composé de trois parties : l’anneau fibreux (annulus fibrosus), le noyau pulpeux (nucleus pulposus), voir Figure 1.4, et les plateaux cartilagineux. Le premier est composé d’environ 70% d’eau (Gu, 1999) et est formé d’un ensemble de lamelles fibreuses concentriques. Au sein d’une même lamelle, les fibres de collagènes sont obliques et orientées d’environ 30° par rapport au plan transverse. Entre deux lamelles successives, l’orientation des fibres est inversée. Des études ont compté entre 10 et 20 lamelles composant7 l’annulus fibrosus (Pezowicz et al., 2006). Le nucleus est composé de 90% d’eau à la naissance, puis cette quantité diminue au fil des ans pour atteindre environ 80% vers 20 ans et passer en dessous des 70% après 60 ans (Iatridis et al., 1996). Il a la forme d’une bille de 1 à 1,5 cm de diamètre et est constitué d’une substance gélatineuse se comportant majoritairement comme un liquide (Iatridis et al., 1996). La diminution de la quantité d’eau le composant au fur et à mesure qu’il vieillit entraine une perte de sa résistance et de ses capacités d’amortissement et de répartition des chargements subis (Adams et al. 2006). Enfin les plateaux cartilagineux se situent au niveau de la liaison du disque avec les plateaux des corps vertébraux appartenant aux vertèbres. Ils recouvrent ainsi la structure discale au-dessus et en dessous et font partie intégrante des disques intervertébraux. Ils se présentent sous forme de plaques poreuses de cartilage et permettent le passage des nutriments depuis l’os; ce rôle est indispensable à la survie du disque, car il n’est pas vascularisé (Crock et Goldwasser, 1984).

Principes biomécaniques de la colonne vertébrale

La colonne vertébrale se divise en plusieurs sections clairement identifiables par leurs courbures. Celles-ci sont très importantes, car elles améliorent l’élasticité, la souplesse et la résistance, notamment en compression, de la colonne vertébrale (Louis, 1977). Ces courbes sont soit convexes, on parle dans ce cas de cyphose (thoracique et sacrococcygienne), soit concaves, on parle dans ce cas de lordose (cervicale et lombaire) (voir Figure 1.1). La lordose cervicale apparait dès que l’enfant commence à soutenir sa tête, la lordose lombaire apparait dans un second temps lors de l’apprentissage de la marche. Les courbures alternées du rachis sont définitivement fixées pendant la puberté. La colonne vertébrale est mobile grâce à l’action des muscles et tendons rattachés aux structures complexes des vertèbres. Elle peut effectuer des mouvements dans les trois plans9 de l’espace, néanmoins ses mouvements en translation sont limités en comparaison avec ses mouvements en rotation. On peut étudier le comportement biomécanique de la colonne à travers ses unités fonctionnelles composées d’un disque intervertébral et des deux vertèbres adjacentes. Le comportement du rachis entier peut se rapporter au total des mouvements de ses unités fonctionnelles (White et Panjabi, 1990). Les mouvements possibles et leurs amplitudes dans les différents plans sont dépendants des articulations zygapophysaires sur les facettes articulaires.

En effet, leur forme et l’orientation de leur surface, qui varient en fonction du niveau vertébral considéré, contraignent ces mouvements. Tissus osseux La vertèbre est composée de deux types de tissus osseux qui possèdent des caractéristiques biomécaniques différentes : l’os trabéculaire et l’os cortical. L’os trabéculaire a l’apparence d’un maillage poreux composé de lignes et de plaques qui s’organisent en fonction des chargements réguliers reçus par le corps vertébral (Hernandez et Keaveny, 2006; Ladd et al., 1998). Des lignes trabéculaires se forment le long des lignes de contraintes maximales (Roesler, 1987; Smit, Odgaard et Schneider, 1997), (voir Figure 1.6). Ainsi l’os trabéculaire combine un maximum de résistance aux chargements qu’il subit habituellement pour un minimum de quantité de matière. La théorie est que l’os s’adapte aux chargements fonctionnels, c’est-à-dire que l’os non stimulé mécaniquement disparait et à l’inverse, l’os se développe là où les chargements sont les plus importants. Cette capacité lui permet d’adopter une architecture optimale, elle se réfère à la loi de Wolff. Ces chargements réguliers dans les vertèbres sont dus à la posture, au poids du corps, à l’action des muscles, des ligaments et à l’interaction avec les disques intervertébraux (Smit, Odgaard et Schneider, 1997). En conséquence, l’os trabéculaire dans le corps vertébral a une architecture particulière qui est composée majoritairement par des trabécules orientées verticalement (ratio de 2 pour 1 par rapport aux trabécules horizontales) avec des connexions horizontales près du plateau supérieur et une densité plus élevée à la base des pédicules (Heggeness et Doherty, 1997; Hulme, Boyd et Ferguson, 2007; Smit, Odgaard et Schneider, 1997; Thomsen, Ebbesen et Mosekilde, 2002).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES
1.1 Description de la colonne vertébrale
1.1.1 Anatomie de la colonne vertébrale
1.1.1.1 Vertèbre
1.1.1.2 Disque intervertébral
1.1.1.3 Ligaments et muscles
1.1.2 Principes biomécaniques de la colonne vertébrale
1.1.2.1 Tissus osseux
1.1.2.2 Disque intervertébral
1.1.3 Modèles pour essais in vitro
1.1.3.1 Modèle humain
1.1.3.2 Modèle porcin
1.2 Les blessures du rachis
1.2.1 Épidémiologie des blessures du rachis
1.2.2 Classification de Denis
1.2.3 Classification de Magerl
1.2.4 Classification de Vaccaro
1.2.5 Classification de Aebi
1.2.6 Blessures du disque intervertébral
1.2.7 La fracture vertébrale comminutive
1.2.7.1 Définition
1.2.7.2 Mécanisme de la fracture comminutive
1.2.8 Techniques de reproduction in vitro de fractures en compression
1.3 Cinéradiographie à haute vitesse
1.3.1 Génération des rayons X
1.3.2 Capture des images cinéradiographiques à haute fréquence
1.3.3 Limites de la cinéradiographie haute vitesse
1.3.4 Application de la cinéradiographie en biomécanique
1.3.5 Discographie
CHAPITRE 2 PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS
2.1 Problématique
2.2 Objectifs
CHAPITRE 3 VISUALISATION DU NULEUS PULPOSUS
3.1 Méthodes
3.1.1 Préparation des spécimens de disques intervertébraux
3.1.2 Injection de l’agent radio opaque
3.1.3 Volumes d’agent radio opaque injectés
3.1.4 Mesure de la diffusion du mélange
3.1.4.1 Traitement d’image
3.1.4.2 Mesure des dimensions de la tache radio opaque
3.1.4.3 Évaluation du contraste de la tache radio opaque
3.1.4.4 Mesure des dimensions du nucleus pulposus réel
3.1.5 Boîte réfrigérante
3.2 Résultats
3.2.1 Dimensions de la tache radio opaque
3.2.2 Dimensions de la cavité du nucleus pulposus
3.2.3 Comparaison des dimensions de la tache radio opaque et de la cavité du nucleus pulposus
3.2.4 Évaluation de l’évolution du contraste de la tache radio opaque au cours du temps
CHAPITRE 4 IMPACT DES INJECTIONS D’AGENT RADIO OPAQUE SUR LA BIOMÉCHANIQUE DU DISQUE INTERVERTEBRAL
4.1 Méthode
4.1.1 Étalonnage des capteurs de pression
4.1.2 Mesure de la pression intradiscale
4.1.3 Mesure du volume du nucleus pulposus
4.2 Résultats
CHAPITRE 5 FILMS CINÉRADIOGRAPHIQUES À HAUTE VITESSE DE FRACTURE VERTÉBRALES
5.1 Méthode
5.1.1 Préparation des échantillons de colonne vertébrale
5.1.2 Acquisition d’images radiographiques
5.1.2.1 Paramètres de l’alimentation électrique
5.1.2.2 Paramètres d’exposition de la caméra
5.1.2.3 Paramètres secondaires
5.1.2.4 Acquisition d’images fixes
5.1.2.5 Acquisition de films cinéradiographiques à haute vitesse
5.1.3 Création de fracture à haute énergie
5.1.4 Traitement d’image des films cinéradiographiques
5.1.5 Acquisition d’images de tomodensitométrie des spécimens fracturés
5.2 Résultats
5.2.1 Spécimen 1 : vertèbre T14-L2
5.2.2 Spécimen 2 : vertèbre L3-L5
5.2.3 Spécimen 3 : vertèbre T14-L2
5.2.4 Spécimen 4 : vertèbre L3-L5
CHAPITRE 6 DISCUSSION
6.1 Visualisation du nucleus pulposus
6.2 Impact de l’injection d’agent de contraste sur la pression intradiscale
6.3 Ciné radiographie à haute vitesse de fractures en compression du rachis
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I DIMENSIONS DE LA TACHE RADIO OPAQUE
ANNEXE II MESURES DE NIVEAUX DE GRIS SUR LES TACHES RADIO OPAQUES
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES