Biomecanique Des Articulations Inter Vertebra Les

N0 d'ordre:

/2007/DM

RPUBLIQUE ALGRINNE DMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSIT DE BATNA

FACULT DES SCIENCE DE L'INGNIEUR DEPARTEMENT DE MECANIQUEMEMOIRE PRESENTE POUR L'OBTENTION DU DEPLOME DE

MAGISTEREEN

MECANIQUE OPTION:SCIENCE DES MATERIAUXPAR

YOUCEF NABIL

BIOMECANIQUE DES ARTICULATIONS INTERVERTEBRALESSoutenue le:

Devant le jury: DR Brioua Mourad DR Mazouz Hammoudi DR Zedira Hamma DR Zidani Kamel Prsident Rapporteur Examinateur Examinateur Universit de Batna Universit de Batna Centre Universitaire de Khanchela Universit de Batna

Anne universitaire 2009/2010

REMERCIEMENTSAvant tout nous tenons remercier Dieu tout puissant de nous avoire donn la volont, la sant et la patience Durant nous annes d'etudes et surtout pendant la realisation de ce mmoire. Je remercie le docteur Mazouz hamoudi, rapporteur du thse, pour avoir dirig cette thse avec une grande rigueur scientifique et pdagogique, une confiance et une libert dapproche, et pour sa passion de la biomcanique du rachis quelle a su faire partager. Je tiens remercier le docteur Labaal elhadi" Universit de Le Mans france", que pour son soutien. Mes remerciements s'adressent aux membres du jury qui ont bien voulu accepter de juger mon travail, et tout particulirement aux trois examinateurs, les docteurs Brioua mourad, president, Zedira hamma examinateur et Zidani kamel, examinateur. Merci tous les chercheurs, les membres de lInstitut du gnie mcanique (science et gnie des matraux /Universit de batna). Que ma famille et ma femme, mes proches trouvent ici toute mon affection, mon amiti, et ma profonde reconnaissance pour mavoir soutenu jusquici. ma fille Maria, qui est ne galement durant cette priode Enfin, je remercie mes proches pour leur soutien inconditionnel. A mes parents, je vous remercie du fond du coeur pour mavoir accompagn et soutenu pendant toutes ces annes. et toutes les autres personnes qui mont aide dans la ralisation de ce travail.

YOUCEFNABIL

SOMMAIREIntroduction gnrale

CHAPITRE 1: ANATOMIE ET PHYSIOLOGIE DU RACHIS1.ANATOMIE ET PHYSIOLOGIE GNRALE..............................6 1.1. INTRODUCTION.....6 1. 2. ANATOMIE DESCRIPTIVE DU RACHIS LOMBAIRE .....7 1.2.1 Les plans de rfrence7 1.2.2 Le corps vertbral ......8 1.2.3 La Colonne vertbrale .......9 1.2.4 Le Rachis lombo-sacr..10 1.3. LES ARTECULATIONS INTERVERTEBRALES..13 1.3.1 Le disque intervertbral13 1.3.2 Les articulations zygapophysaires ...13 1.3.3 Les ligaments priphriques ....14 1.3.4 Le rachis (ou colonne vertbrale) ....15 1. 4. ANATOMIE FONCTIONNELLE DU RACHIS ....17 1.4 .1 Les repres anatomiques .171.4.2 Le rachis scoliotique...18 1.4 .3 Les dformations scoliotiques..18 1.4.4 Mobilit du rachis lombaire et dorsal...19 1.4.5 Examen du rachis de profil .......22 1.4.6 Examen du rachis de face et de dos ..23

1.5. MODELISATION DU RACHIS...23 1.5.1. Approche dtaille.23 1.5.2.Aproche globale..........24

Conclusion..27

CHAPITRE 2: Caractristiques mcaniques des matriaux constituant l'articulation intervertbrale et la Cinmatique articulaire1. CARACTRISTIQUES DES MATRIAUX CONSTITUANT L LA COLONNE ..28 2. CARACTRISTIQUES DES MATRIAUX CONSTITUANT L'ARTICULATION INTERVERTEBRALE ....31 2.1 Tissu cortical 31 2-2 Tissu spongieux 31 2-3 Tissu discal 32 2-4 Tissu ligamentaire ... 33 3.Cinmatique articulaire..........35 3.1 Degr de libert et mobilit intervertbrale36 3-2 Obtention des amplitudes de mobilit 37 3-3 Mobilit intervertbrale et segmentaire..37 3.3.1Amplitudes des mobilits intervertbrales lombaires et lombo-sacrs...37 3-3-2 Amplitudes des mobilits intervertbrales thoraciques et thoraco-lombaires.41 3-3-3 Amplitudes des mobilits intervertbrales cervicales.42

CONCLUSION .45

CHAPITRE 3: Analyse descriptive et comparative des paramtres biomcaniques et leurs valuations1. INTRODUCTION.46 2.Quel doit tre la rigidit de ce matriel ....46 2.1 Matriaux et mthodes...48 2.2 Discussion.51 3. Comment fixer le matriel sur le rachis..52 3.1 Les implants d'ostosynthse rachidienne et leur voluation .52 3.1.1 Introduction 52 3.1.2 Les systmes d'ostosynthse..52 3.2 Evaluation des implants rachidiens 55 3.2.1 Les diffrents types dvaluation .55 3.2.2 Evaluation in vivo ..56 3.2.2.1. Lvaluation quantitative in vivo par imagerie mdicale..56 3.2.2.2Les exprimentations in vivo..58 3.2.3. Evaluation exprimentale in vitro ...59 4. Dispositif exprimental et systme de mesure ..61 4.1.Exploitation des rsultats.62

5. Materiaux des protheses cimentees ...63 5.1 - Biocompatibilit et biocomptence.63 5.2 - Matriaux constitutifs des implants prothtiques.64 5.2.1 - Les alliages mtalliques...64 5.2.2 - Le polythylne.65 5.2.3 - Porosit et fissures66 5.3. Proprits mcaniques..68 5.4. Effets de l'environnement in vivo sur le ciment acrylique.68

Conclusion69

CHAPITRE 4: Synthse Anatomiques A partir des Etudes Bibliographique1.RACHIS LOMBAIRE ....701.1Description...70 2. Biomcanique du rachis lombaire..70 3. Cinmatique lombaire ...70 4.Cinmatique ..71 5.Mobilits articulaires du rachis lombaire ....72 5.1.Physiologie du movement .....73 5.2. Les amplitudes de mouvement.74 5.3. Amplitudes de mobilits intervertbrales lombaires et lombo-sacres76 5.3.1 Mobilit du rachis lombaire.76 5.4. Les efforts supports par le rachis lombaire .77 5.5. Les efforts appliqus au rachis dorso-lombaire.79

6. DYNAMIQUE......816.1. Flexion-Extention 81

7. Analyse des charges.827.1. Compression de L4/L5.83 7.2 .Charniere lombo sacree .84 7.2.1 Statique ...85 7.2.2 Dynamique .85

Conclusion....86

Conclusion gnrale87LEXIQUE...88 REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE....91

LEXIQUE [7]Colonne vertbrale Squelette axial du tronc, qui soutient la tte et est rattach aux membres par la ceinture scapulaire et le bassin synonyme:rachis Ultrason Vibrations mcaniques dont la frquence est trop leve pour tre audible Abdomen Partie infrieure du tronc, situe entre le thorax en haut et le petit bassin en bas. Anisotropie Ingalit du pouvoir rfringent des yeux Ankylose Limitation plus ou moins grande de la mobilit d'une articulation, due des lsion osseuses ou articulaires. Annulus les fibres lastiques sont tendues et entrecroises, elles absorbent les contraintes horizontales transmises par le nuclus ainsi que les forces de cisaillement. Le rle de ces fibres est capital dans les mouvements de rotations et asymtriques Antimitotique Qui s'oppose la mitose (division cellulaire) Apophyses Saillie osseuse qui peut supporter une surface articulaire ou donner une insertion un muscle ou un tendon Arthrodse Intervention chirurgicale consistant bloquer dfinitivement une articulation Arthrose Lsion chronique, dgnrative et non inflammatoire d'une articulation. Capsule Formation fibreuse de l'organisme, qui peut tre: membrane d'enveloppe, enveloppe d'une articulation Ceinture pelvienne Concerne le bassin ensemble osseux qui unit un membre de tronc Charnire . Terme dsignant certaines rgion articulaires: charnire cervico-occi-pitale (entre la tte et le cou ),charnire lombosacre (entre la 5e vertbre lombaire et le sacrum) Cisaillement(contrainte Contrainte ou composante de la contrainte s'exerant de) tangentiellement un plan donn Coccyx Pice osseuse triangulaire base suprieure articule avec le sacrum, et form par runion de 4 6 vertbres atrophies. Coefficient de Poisson Lallongement (ou le raccourcissement dans le cas dune compression) unitaire dune prouvette soumise une force de traction F est accompagn dune contraction Cyphose Courbure de la colonne vertbrale convexit postrieure. Dgnrescence Les maladies du muscle, primitives ou secondaires, Musculaire entranent des altrations dgnratives des fibres, connues sous le nom de dgnrescence granuleuse, cireuse, vitreuse. Disque intervertbral Formation interosseuse unissant deux vertbres, et dont la forme et celle d'une lentille biconvexe Distal vers lextrmit du membre .Les doigts sont la partie distale du membre suprieur par rapport au tronc. Le mot semploie par opposition proximal Extension Action d'tendre, d'allonger un segment du corps sur le ou les segments adjacents

Extraction Fmoral Fmorale Fluage Fluage Fluide newtonien

Greffon

Hyperlordose Hystrie

In vitro In vivo Isotropes

Lsion traumatique

Ligament Lombo -sacr Lordose Mninge Moelle pinire

Moelle osseuse

Monomre Morbidit Nucleus

Nucleus pulposus

Action d'extraire, d'enlever. Qui a rapport avec le fmur Qui a rapport avec le fmur (Os qui forme le squelette de la cuisse.) dformation plastique lente dun matriau sous leffet dune charge dformation plastique lente dun matriau sous leffet dune charge si un fluide, temprature constante, a une viscosit qui reste constante quelle que soit la vitesse de la contrainte de cisaillement applique, on dit que ce fluide est newtonien Tissu ou organe servent faire une greffe (Opration qui consiste transfrer sur un individu des parties de tissu ou d'organe prleves sur lui-mme ou sur un d'autre). Exagration de la courbure, convexit antrieure, de la colonne vertbrale. Nvrose caractrise par une disposition particulire exprimer par des manifestations corporelles des conflits effectifs inconscients Se dit de toute exprience de laboratoire pratique hors d'un organisme vivant Se dit des expriences, des interventions pratiques sur l'animal de laboratoire vivant Corps simples dont les proprits chimiques, magntiques et optiques sont identiques alors que leur masse atomique est lgrement diffrente Ensemble des altrations d'un tissu, d'un organe provoqu accidentellement par un agent extrieur, et de troubles qui en rsultent bande de tissu conjonctif blanchtre, trs rsistant, entourant les articulations. Qui concerne la fois la rgion lombaire et le sacrum Courbure convexit antrieure de la colonne vertbrale Enveloppe du systme nerveux central. Situe dans le canal rachidien, c'est une tige cylindrique qui s'tent du trou occipital jusqu'au niveau de la deuxime vertbre lombaire La moelle rouge est cantenne, chez l'adulte, aux os courts et plats et aux extrmits des os longs : la moelle jaune contient surtout de la graisse. La moelle osseuse rouge est le principal organe de l'rythropose constitu de molcules simples susceptibles de ragir les unes sur les autres et de former un ou des polymres Nombre d'individus touchs par une maladie dans une population dtermine et pendant un temps donn. fortement hydrophile, il est comprim (tat de prcontrainte) dans sa logette disco-ligamentaire, il transmet sa tension interne dans toutes les directions et tend carter les plateaux vertbraux. Partie centrale des disques intervertbraux, faite d'une

Orteil Orthopdique

Ostosynthse

Pathologie Pdicules Plasticit Proximale Psoas

Resection

Sacrum

Scoliose Spondylolisthsis

Spondylolyse Tendon Tibial

Tissu cortical Tissu ligamentaire Tissu spongieux Tronc

Vertbre

substance glatineuse et ferme Au nombre de cinq, les orteils sont au pied l'quivalent des doigts de la main Etymologiquement, correction des dformation infantiles, mais l'usage englobe sous ce nom toute la partie de la mdecine et de la chirurgie qui a pour objet l'tude et le traitement des affections de l'appareil locomoteur et du rachis Intervention chirurgicale ayant pour but de mettre en place exactement les fragments d'un os fractur et de les maintenir par un matriel Science consacre l'tude des maladies Faisceau nourricier d'un organe, d'une glande, d'un tissu, runissant l'artre principale, ses veines et son nerf. aptitude dune matire prendre diffrentes formes Proche de le racine ou du centre,par opposition distal,qui concerne l'extrmit. Muscle pais, fusiforme, qui s'tend des vertbres lombaires au petit trochanter, o il se termine par tendon commun avec le muscle iliaque Ablation de tout ou partie d'un organe, ave conservation ou rtablissement de ses fonction: rsection d'anses intestinales, de portions de colon, de certains os Os form par la runion des 5 vertbres sacres, articul latralement avec les os iliaques: par sa face suprieure avec le rachis lombaire et par son extrmit infrieure avec le coccyx. Dviation latrale de la colonne vertbrale Glissement en avant du corps d'une vertbre. Il rsulte le plus souvent d'une absence d'ossification entre le segment postrieur et le corps de la vertbre. Rupture entre les arcs antrieur et postrieur d'une vertbre, entranant un glissement du corps vertbral en avant. tissu fibreux par lintermdiaire duquel un muscle sattache un os Qui se rapporte au tibia (os long volumineux, situ la partie interne de la jambe, dont il forme le squelette avec le pron. C'est un tissu prsente une couche priphrique de certain organe notamment le cerveau et la glande surrnale. C'est un tissu conjonctif En forme d'ponge synonyme de tissu rectile (qui se relve) Partie du corps considr sans la tte ni les membres, et forme de trois parties : le thorax, l'abdomen et le petit bassin. Elment constitutif de la colonne vertbrale

INTRODUCTION GENERALE

Le thme BIOMECANIQUE pourrait aussi sintituler "Analyse et Modlisation de l'Homme en mouvement", il est relatif ltude du corps humain considr comme un systme mcanique compos de corps articuls. La colonne vertbrale peut tre considre sur le plan biomcanique a la fois comme une poutre lance et haubane et un mcanisme poly-articul. Le rapport des dimensions transversales du rachis la longueur dveloppe de la colonne ainsi que les faibles courbures permettent en effet d'assimiler la colonne une poutre lance. Les composants de la colonne alternativement peu dformables (corps vertbraux) et trs dformables (disque et appareil ligamentaire) la rapprochent des systmes mcaniques poly-articuls. Les tudes biomcanique du rachis s'intressent donc aux diffrents aspects mcaniques de cette structure particulire mi-poutre mi-mcanisme encore appele systme multicorps dans le langage des mcaniciens. Dans ce texte nous aborderons successivement deux aspects principaux du systme multicorps qu'est le rachis. Tout d'abord les caractristiques mcaniques des constituants de la colonne vertbrale ensuite la cinmatique rachidienne. Outre la comprhension du comportement mcanique de la colonne l'un des objectifs de la biomcanique rachidienne est d'aider la conception et la mise en place des matriels d'ostosynthse destins au rachis. Comment fixer le matriel sur le rachis ? Quel doit tre la rigidit de ce matriel ? Quelles doivent tre les formes et dimensions de ce matriel ? sont les principales questions auxquelles la biomcanique tente d'apporter certains lments de rponse. Bien que ce texte ne soit pas un document exhaustif sur la biomcanique rachidienne nous tenterons dans les lignes qui suivent de montrer que la biomcanique rachidienne apporte sa contribution objective la quantification des paramtres mcaniques du rachis l'valuation des mobilits rachidiennes et la conception des matriels d'ostosynthse

CHAPITRE I ANATOMIE ET PHYSIOLOGIE DU RACHIS

CHAPITRE IANATOMIE ET PHYSIOLOGIE DU RACHIS

1. ANATOMIE ET PHYSIOLOGIE GNRALE1.1 INTRODUCTIONPour faciliter la comprhension du corps de these pour le lecteur, nous commenons par un concis recueil danatomie, enrichi de quelques rappels de biomcanique du rachis lombaire. L'Anatomie fonctionnelle du rachis lombaire, ainsi que leur Mobilit seront brivement prsentes par la suite, pour prciser les principaux efforts supports par le rachis lombaire. La colonne vertbrale ou rachis (Figures 1.1, 1.2) est le principal support axial de lorganisme; elle fournit un support pour le crne, le thorax et repose sur la ceinture pelvienne. De par sa construction, elle assure galement au tronc une bonne flexibilit. De plus, elle protge la moelle pinire et les mninges, tout en laissant des ouvertures (les trous de conjugaison) entre les vertbres pour le passage des nerfs rachidiens. La colonne vertbrale est normalement forme de sept vertbres cervicales, douze thoraciques et cinq lombaires, toutes appuyes sur le sacrum. Chaque vertbre ou spondyle est compose dune partie postrieure (larc vertbral), dune partie antrieure (le corps vertbral) et dune partie moyenne (les pdicules et les apophyses transverses). Entre elles se trouve un trou (trou vertbral ou canal rachidien) par lequel passe la moelle pinire avec les grands troncs nerveux. Chaque vertbre sarticule avec la vertbre suprieure et la vertbre infrieure par quatre petites articulations appeles facettes articulaires, et entre les corps vertbraux se trouve un tissu intervertbral: le disque intervertbral, qui joue le rle dun lment articulaire et damortisseur de contraintes. Les disques intervertbraux sont en grande partie responsables de la hauteur de la colonne prsacre (environ 25%). La dshydratation des disques due la pression exerce 4 par la station debout se traduit par un raccourcissement diurne denviron 19mm de la hauteur totale chez un homme bien constitu [1]. La colonne vertbrale prsente des courbures. Celles-ci sont diriges la fois en avant et en arrire et dessinent des creux (lordose) et une bosse (cyphose). Les creux sont situs au niveau des rgions cervicales et lombaires de la colonne vertbrale et la bosse au niveau de la rgion thoracique. Ces courbures donnent au dos la fois la souplesse, la mobilit et la stabilit


Figure 1. 1. La colonne vertbrale (rachis)Humaine vue de face, de profil et de dos [22]

Figure 1. 2. Reprsentation schmatique desdiffrentes structures anatomiques composant le rachis

1. 2 ANATOMIE DESCRIPTIVE DU RACHIS LOMBAIRECette presentation Elle a pour objectif de familiariser le lecteur avec les diffrents termes cliniques. Aprs une rapide prsentation des plans de rfrence pour la description anatomique du corps humain, nous nous focaliserons sur lanatomie descriptive du rachis lombaire sain en nous limitant volontairement au systme ostoligamentaire [2]. . 1.2.1 Les plans de rfrence L'tude du corps humain se fait en fonction des plans fondamentaux de l'espace (Figure 1.3): Les plans sagittaux: ce sont des plans verticaux orients dans le sens antropostrieur. Le plan sagittal mdian passe par l'axe du corps et le partage en deux cts droit et gauche. Les plans frontaux: ce sont des plans verticaux perpendiculaires aux prcdents. Le plan coronal est le plan frontal passant par l'axe du corps, il dfinit les faces ventrale et dorsale du corps. Les plans horizontaux : ils sont perpendiculaires aux deux autres et coupent transversalement le corps.


Figure 1.3: Plans de reference [16].

A - Plan sagittal B - Plan frontal C - Plan horizontal

1.2.2 Le corps vertbral (figures 1.1 et 1.2) Une vertbre comprend un corps derrire lequel se forme un arc osseux dispos en demi-lune duquel se dtachent les processus ou apophyses articulaires. Le corps vertbral supporte le poids et donne de la solidit. Il est principalement constitu dos spongieux contenant de la moelle osseuse. Le tissu compact qui forme le pourtour des faces suprieure et infrieure du corps vertbral est plus pais et forme un anneau ou bourrelet. Le corps vertbral est en gnral cribl de trous vasculaires de dimensions varies. La moelle pinire passe par le trou vertbral dlimit par larc vertbral et le corps vertbral. Les apophyses transverses se projettent latralement partir de larc vertbral alors que lapophyse pineuse, en position mdiane, part de la surface 5 postrieure. Les apophyses transverses et pineuses servent de points dattache pour les muscles et les ligaments. La portion de larc vertbral entre le corps et lapophyse transverse se nomme pdicule, et la portion entre lapophyse transverse et lapophyse pineuse, la lame. Une paires dapophyses articulaires suprieures se projette vers le haut, de chaque ct de larc vertbral et une paire dapophyses articulaires infrieures se projette vers le bas, partir du mme endroit. Les apophyses articulaires ont une surface lisse et sont en contact avec lapophyse de la vertbre du dessus et celle de la


vertbre du dessous, ce qui augmente la stabilit de la colonne vertbrale. Les trous intervertbraux, situs entre les pdicules des vertbres adjacentes, permettent le passage des nerfs rachidiens [1, 3]. 1.2.3 La Colonne vertbrale La colonne vertbrale, ou rachis, est constitue d'une colonne mobile de 24 vertbres libres et d'une colonne fixe forme de vertbres soudes: le sacrum et le coccyx. Elle est le mt de fixation de nombreux muscles indispensables la posture et la locomotion et assure la protection de la moelle spinale situe dans le canal vertbral. Elle supporte la tte et transmet le poids du corps jusqu'aux articulations de la hanche. D'une longueur d'environ 70 cm chez l'homme (60 cm chez la femme), sa diminution peut atteindre 2 cm en station debout

Figure 1.4 : La colonne vertbrale [16].

A - Vertbres cervicales B - Vertbres thoraciques C - Vertbres lombaires D Sacrum E Coccyx

La colonne vertbrale se divise en cinq parties (Figure 1.4) : le rachis cervical constitu de 7 vertbres.


le rachis dorsal (ou thoracique) constitu de 12 vertbres. le rachis lombal (ou lombaire) constitu de 5 vertbres. le rachis sacr (rachis sacral ou sacrum). le rachis coccygien (ou coccyx). La colonne vertbrale est courbe dans le plan sagittal. Elle prsente deux courbures primaries (concaves en avant), aussi appeles cyphoses, au niveau des rachis thoracique et sacr, ainsi que deux courbures secondaires (concaves en arrire) appeles lordoses au niveau des rachis cervical et lombaire [2]. 1.2.4 Le Rachis lombo-sacr 1.2.4.1 Les Vertbres lombaires A l'exception de l'atlas et de l'axis (qui appartiennent au rachis cervical), toutes les vertbres sont constitues dun corps vertbral et de l'arc postrieur (Figure 1.5). Le corps vertbral est rempli d'os spongieux et est limit par de l'os cortical plus solide. Il constitue la partie la plus massive de la vertbre, de forme cylindrique moins haute que large, il est ventral et son paisseur croit caudalement. Ses faces suprieures et infrieures, les plateaux vertbraux, sont lgrement excaves. L'arc postrieur, dorsal et fragile, est constitu d'os cortical pais. Il comprend deux pdicules courts qui se fixent la partie suprieure de l'arte postrolatrale du corps, deux lames verticales qui prolongent les pdicules formant le foramen vertbral, un processus pineux saillant en arrire, deux processus transverses saillant latralement ainsi que quatre processus articulaires (deux suprieurs et deux infrieurs) s'articulant avec leurs homonymes adjacents et situs la jonction des pdicules et des lames [2]. On peut reprer, par linspection et par la palpation, de nombreux lments anatomiques. Il est ais de reprer la partie postrieure, des lments comme le relief des crtes iliaques postrieures, avec lpine iliaque postrieure, le sacrum qui se termine en bas par le coccyx. La palpation des apophyses pineuses et des espaces inter pineux, recherche une douleur qui peut tre localise trs prcisment un espace. Il faut palper toutes les apophyses pineuses. Elles sont bien alignes. Lespace L4-L5 se projette, en gnral, la hauteur de la crte iliaque [3].


1. pdicule 2. processus articulaire sup. 3. lame 4. foramen vertbral 5. processus pineux 6. surface articulaire sup. du corps 7. processus transverse 8. processus articulaire infrieur

Figure 1.5: Vertbre type schmatique [16]. La Figure 1.6 reprsente une vertbre lombaire avec tous les lments dcrits ci-

dessus:

La Figure 1.6 : Vertbre lombaire [16].

1.2.4.2. Le rachis lombaire Il se compose de 5 vertbres lombales (lombaires), dnommes par la lettre L (de L1 L5). Il fait suite aux rachis dorsal (thoracique) et prcde le rachis sacr.

1.2.4.3 Le rachis sacr ou sacrum Il se compose de 5 vertbres (S1 S5) soudes l'ge adulte, qui ne forment plus qu'un seul bloc osseux appel sacrum. Il fait suite au rachis lombaire et prcde le rachis coccygien. Il forme la partie postrieure du pelvis et assure ainsi la solidit de


son architecture. De forme pyramidale base suprieure, il est dans son ensemble incurv en avant, et prsente une face dorsale, une face pelvienne, une base, deux faces latrales et un apex. La surface articulaire suprieure de la premire vertbre sacre S1 forme la tte du sacrum, quis'articule avec la dernire vertbre lombaire L5

La Figure 1.7 : Sacrum et coccyx [16].

Sur les bords du sacrum, dans la partie suprieure, on retrouve une surface articulaire avec l'os iliaque (repre 7 sur La Figure 1.7 ), c'est la face articulaire auriculaire (car elle a une forme d'oreille). Elle est tourne vers l'arrire et est en rapport avec son homologue de l'os iliaque pour former l'articulation sacro-iliaque. Cette articulation ne permet que trs peu de mouvements et transmit le poids du corps aux articulations de la hanche quand la personne se tient debout. A lextrmit proximale (infrieure) du sacrum, on retrouve l'articulation sacrococcygienne, qui l'articule avec le coccyx. C'est une articulation cartilagineuse ne permettant quasiment aucun mouvement.


1.2.4.4 Le rachis coccygien ou coccyx Il se compose de 4 ou 5 vertbres coccygiennes soudes entre elles. Contrairement aux autres, elles ne sont pas dnommes par une lettre. Il fait suite au sacrum et constitue la fin du rachis humain. Le coccyx est un vestige osseux. Il correspond la queue des mammifres en possdant une. Il est djet en avant. Il ne prsente pas grand intrt en anatomie, ni en mdecine en gnral, si ce n'est qu'il est souvent la cause de douleurs lors d'un choc violent sur le postrieur.

1. 3. Les articulations intervertbrales1.3.1 Le disque intervertbral Il reprsente 25% de la hauteur totale du rachis mobile. Son paisseur diminue grement de la colonne cervicale jusqu la cinquime ou sixime vertbre thoracique, puis augmente graduellement pour tre maximum dans la region lombaire. Chaque disque est un fibrocartilage, il a la forme dune lentille biconvexe avec une partie priphrique appele anneau fibreux (ou annulus fibrosus) et une partie centrale appele noyau pulpeux (ou nucleus pulposus). La partie externe est forme de lamelles fibreuses disposes de la priphrie vers le centre en couches peu prs concentriques. Dans chacune des lamelles, les fibres stendent entre deux corps vertbraux voisins suivant une direction oblique qui est la mme pour toutes les fibres dune mme lamelle fibreuse. Les fibres de lamelles voisines ont une obliquit inverse. Le noyau pulpeux, peu dvelopp dans les disques thoraciques, est situ prs du bord postrieur. De substance glatineuse molle contenant de 70 80% deau, il se densifie et se rduit avec lge [2].

1. Anneau fibreux 2. Noyau pulpeux 3. Lamelles de fibro-cartilage 4. Corps vertbral

La Figure 1.8

: Disque intervertbral [16].

1.3.2 Les articulations zygapophysaires Les articulations des processus articulaires sont planes au niveau cervical et thoracique, et en forme de gouttire verticale au niveau lombaire. La capsule


articulaire est forme dune membrane fibreuse, fixe sur les pourtours articulaires, qui est plus rsistante dans la region lombaire, et dune membrane synoviale. 1.3.3 Les ligaments priphriques [2]. Le ligament longitudinal antrieur (repre 11 sur la Figure 1. 10) est une longue bande fibreuse tendue de la base de locciput jusqu la face antrieure de S2 (deuxime vertbre sacre). Il adhre la face antrieure des corps vertbraux et des disques intervertbraux. Il se compose de fibres longues superficielles qui stendent sur trois ou quatre vertbres et de fibres courtes profondes qui unissent deux vertbres adjacentes. Le ligament longitudinal postrieur (repre 2 sur la Figure 1. 9) est situ dans le canal vertbral, cest une longue bande fibreuse. Il est tendu de la face postrieure du corps de laxis celle du coccyx. Etroit au niveau des corps vertbraux, il slargit pour se fixer sur les disques intervertbraux et sur la partie adjacente des corps.

Figure 1. 9 : Ligament longitudinal postrieur [16].

Figure 1. 10 : Articulations Intervertbrales [16].

Les ligaments de larc postrieur (Figure 1. 10) -Le ligament jaune (repre 5) se fixe sur le bord des lames sus et sous-jacente. De coloration jauntre, il est rectangulaire et particulirement pais et rsistant dans la rgion lombaire. Il limite la flexion. -Le ligament supra-pineux (repre 3) est un cordon fibreux solide tendu du processus pineux de la septime vertbre cervicale la crte sacrale. Il se fixe au sommet des processus pineux des vertbres.


-Les ligaments interpineux (repre 6) unissent le bord des processus pineux susjacents et sousjacents. Solides et trs lastiques, ils limitent la flexion du rachis et contribuent au maintien de la posture vertbrale. -Les ligaments intertransversaires sont de fines lames fibreuses unissant les processus transverses. 1.3.4 Le rachis (ou colonne vertbrale) [4]. Le rachis Le rachis (ou colonne vertbrale) est une structure ostoarticulaire qui vise maintenir lquilibre postural en positionnant la tte et le bassin au dessus du polygone de sustentation. Pour un rachis sain, cet empilement de vertbres apparat rectiligne dans le plan frontal et prsente quatre courbures dans le plan sagittal (Figure 1.11): une lordose cervicale, une cyphose thoracique, une lordose lombaire et une cyphose sacre. Ces diffrentes courbures sont gnralement formes par les empilements de 7 vertbres cervicales, 12 vertbres thoraciques, 5 vertbres lombaires et 5 vertbres sacres fusionnes qui forment le sacrum.

Figure 1.11 : Posture rachidienne [17].

1.3.4.1 Les vertebras Les vertbres qui composent la colonne vertbrale se rpartissent en 7 vertbres cervicaux, 12 dorsaux, 5 lombaires. 24 vertbres s'articulent pour former la colonne vertbrale. Les vertbres de C3 L5 prsentent une architecture gnrale identique (Figure 1.12 ). Elles se composent dun corps vertbral (1), ensemble massif qui constitue la partie antrieure de la vertbre. En arrire du corps vertbral, larc neural (2) regroupe les pdicules (8-9) et les lames vertbrales (10-11). Sur cet arc neural viennent se fixer deux apophyses transverses (5- 6), un processus pineux (7) et quatre processus (ou facettes) articulaires.


Figure 1.12 : Structure dune vertbre [17]

La colonne vertbrale est parfaitement rectiligne dans le plan frontal. Dans le plan sagittal existent 3 courbures physiologiques : une cyphose dorsale et une lordose lombaire. Un systme articulaire et ligamentaire complexe stabilise ces lments spars par un disque intervertbral. La morphologie des vertbres est un peu diffrente chaque niveau. La taille du corps vertbral augmente progressivement, de la premire cervicale, jusqu' la dernire vertbre lombaire. Les apophyses articulaires sont verticales au niveau lombaire et plus oblique au niveau cervical, ce qui explique la plus grande amplitude de rotation cervicale. Chaque vertbre est forme d'un corps et d'un arc postrieur, qui s'implante sur le corps par deux pdicules. L'arc postrieur comprend les lames (qui dlimitent le canal avec les pdicules) et les lames sont hrisses d'apophyses (les apophyses articulaires, les apophyses transverses et l'apophyse pineuse). Sur les apophyses s'insrent les ligaments nombreux et rsistants, qui stabilisent l'ensemble, en collaboration avec les muscles. Le canal mdullaire contient la moelle pinire de laquelle s'chappent les racines rachidiennes, de chaque cot chaque niveau. Elles cheminent dans les trous de conjugaison ou foramens. Les vertbres s'articulent entre elles par un trpied ralis par le disque en avant et les 2 apophyses articulaires en arrire. C'est le "segment mobile" de JUNGHANS. Le disque [3] L'annulus fibreuse prsente une structure lamellaire complexe et lastique, trs rsistante qui entoure le nucleus pulposus, situ plus au centre du disque. Les traumatismes rpts de la vie quotidienne, ainsi que certains traumatismes plus violents, peuvent provoquer des dchirures minimes dans l'annulus. A ce moment, de violentes douleurs peuvent se manifester, c'est le lumbago aigu.


Le nucleus peut brutalement faire issue a travers l'une de ces fissures de l'annulus et provoquer une saillie postro latrale, c'est la hernie discale. Rachis lombaire : anatomie de surface, palpation On peut reprer, par l'inspection et par la palpation, de nombreux lments anatomiques. Il est ais de la partie postrieure, des lments comme le relief des crtes iliaques pstrieures, avec l'pine iliaque postrieure, le sacrum qui se termine en bas par le coccyx. La palpation des apophyses pineuses et des espaces inter pineux, recherche une douleur qui peut tre localise trs prcisment un espace. Il faut palper toutes les apophyses pineuses. Elles sont bien alignes. L'espace L4-L5 se projette, en gnral, la hauteur de la crte iliaque. Les apophyses pineuses sont dales, en cas de spondylolisthsis. Les font dfaut, dans le spinabifida. Les muscles para-vertbraux peuvent tre trs saillants lorsqu'ils sont le sige d'une contracture douloureuse. On peut palper l'ischion et le grand trochanter qui dlimite la gouttire ischio -trochantrienne o passe le nerf sciatique. On peut rechercher dans la gouttire, la douleur la pression de nerf sa sortie de l'chancrure sciatique. En avant, il ne faut pas rgliger l'examen des muscles abdominaux. Ils constituent la sangle abdominale indispensable pour le bon quilibre du rachis lombaire (il est souvent utile de renforcer cette sangle, par la rducation, dans la pathologie du rachis lombaire quand on souhaite corriger une lordose exclusive). Lorsque les muscles abdominaux sont dtendus, on peut palper chez les sujets pas trots gros le relief des corps vertbraux. L'aorte est bien perue. La bifurcation se projette en regard de L3-L4 1.4 ANATOMIE FONCTIONNELLE DU RACHIS. 1.4 .1 Les repres anatomiques [4] Stokes et la SRS (Scolosis Reasearch Society) (Stokes 1994) ont dfini des repres anatomiques ddis lanalyse des dformations rachidiennes (Figure 1.13).


Figure 1.13: Repres danalyse des dformations du rachis[18]. a) Repre global qui sappuie sur la ligne de gravit et lorientation du bassin b) Repre spinal bas sur le bassin et la vertbre C7 c) Repre local qui traduit la position et lorientation dune vertbre

1.4 .2 Le rachis scoliotique Introduction la scoliose comme une dformation tridimensionnelle de la colonne vertbrale : La scoliose est une courbe qui se dveloppe dans lespace. Celle-ci est due un mouvement de torsion gnralis tout le rachis. Lorigine de la scoliose apparat aujourdhui comme multifactorielle, associant des dsquilibres gntiques des facteurs hormonaux, neurologiques, de croissance, ainsi qu des facteurs biomcaniques [4] . 1.4 .3 Les dformations scoliotiques La scoliose entraine des dformations tridimensionnelles qui perturbent la morphologie naturelle du rachis. Dans le plan frontal apparaissent une ou plusieurs courbures. La courbure est dite fonctionnelle si elle est rductible (par des tests dinclinaison latrale par exemple) ou linverse structurale . Une courbure structurale entraine des courbures compensatoires qui visent rtablir lquilibre postural du sujet. Les dformations entranes par ces courbures sont assez complexes. Dans le plan frontal, certaines vertbres prsentent une dviation latrale importante alors que dautres sont particulirement inclines. Dautre part, le mcanisme de torsion du rachis scoliotique entrane des rotations vertbrales autour de laxe z r de leur repre local (Figure 1.13) que lon appelle rotations vertbrales axiales (ou intervertbrales axiales lorsque lon considre une vertbre par rapport une autre). Chaque courbure (ou segment) est ainsi limite par une zone jonctionnelle suprieure et une zone jonctionnelle infrieure (Figure 1.14). Cette zone caractrise lamorce de la courbure et peut concerner une vertbre ou un disque, prsentant une inclinaison importante ainsi quune rotation intervertbrale leve. Au sommet de la courbure se


trouve la zone apicale qui se caractrise par une dviation latrale importante et une rotation vertbrale axiale leve.

Figure 1.14 : Vertbres stratgiques de la scoliose [19].

1.4.4 Mobilit du rachis lombaire et dorsal [5] MOUVEMENTS Ce segment mobile est aussi le segment moteur - Qui autorise le mouvement - Qui le limite par * orientation des articulaires * tension ligamentaire A- les axes 1- axe antro-postrieur dans le plan sagittal dfinit la flexion-extension 2- axe transversal dans le plan frontal dfinit le mouvement dinclinaison latrale droite et gauche 3- axe vertical (axe rachidien): rotation axiale Il existe dautres mouvements: - glissement davant en arrire - glissement transversal - compression (rapprochement) - distraction (loignement)


B- les mobilits segmentaires 1- flexion extension La flexion fait intervenir: * un pincement discal en avant * un baillement discal en arrire * guid par les apophyses articulaires mais pas limite par les surfaces articulaires limite par leurs capsules, les ligaments commun postrieur, suspineux et interpineux variable selon lge Lextension fait intervenir: * un pincement discal en arrire * un baillement discal en avant (20-25% en +) * guid par les apophyses articulaires * limite par ligament commun antrieur et par le contact des apophyses pineuses [5].

B- Les mobilits segmentaires 2- Inflexion latrale fait intervenir: * UN pincement discal du ct de linflexion * UN baillement discal de lautre ct


* guid par les apophyses articulaires qui glissent sagittalement, presque nulle dans la concavit maximale dans la convexit * freinage par le disque et les intertransversaires * 12 15 (maxi en lombaire haut) [5] .

3- rotation axiale - sollicitation des fibres discales obliques - guide par apophyses articulaires - en thoracique: le Centre Rotation perpendiculaire aux facettes articulaires est au centre du disque donc contraintes en torsion rparties - en lombaire: le Centre Rotation est postrieur (articulation sagittale) do contraintes en torsion et cisaillement car bras de levier+++ dgnrescence des disques lombaires 3- rotation axiale - valeur globale de 102 du sacrum T1 - 74 de T1 T12 - 36 du sacrum L1 donc faible rotation au niveau lombaire - bassin et colonne lombaire= unit fonctionnelle - Diminution de la rotation de T1 T7 et S T7 - 7me dorsale:transition rot. pelvis- rot scapulaire


FLEXION-EXTENSION Elle se consomme surtout dans la colonne lombaire, au niveau de laquelle on peut obtenir globalement 900 d'amplitude. Le test de SCHOBER est un moyen indirect d'valuer la capacit de flexion. Deux points spars par une distance de 10cm, en extension, doivent tre normalement distants de 14 15cm, lorsque le rachis est en flexion maximum. On peut aussi mesurer la distance mains sol. INCLINAISON LATERALE Le rachis lombaire est peu susceptible de s'inflchir latralement ,en raison de la forme des apophyses articulaires. Le rachis dorsal est limit par la cage thoracique. ROTATIONS : les amplitudes globales de rotation du rachis dorsal et lombaire sont faibles : 400 .FLEXION COLONNE LOMBAIRE COLONNE THORACIQUE 0 EXTENTION 0 INFLEXTION LATERALE ROTATION AXIALE

45

35-45 400

200 300

10-150 300

300

1.4.5 Examen du rachis de profil Il existe trois courbures physiologiques: une lordose cervicale, une cyphose dorsale et une lordose lombaire. On mesure cliniquement la flche de ces courbures en utilisant un fil plomb affleurant le sommet de la cyphose dorsal (D6 -D7). La flche cervicale est normalement de 40 65mm, en C3. La flche lombaire est normalement de 30 45mm, en L3. la mesure prcise de ces courbures se fait sur un grand clich radiographique de profil, en mesurant les angles des vertbres neutres. La lordose lombaire physiologique est de 500 environ. On peut voir des hyperlordoses considrables surtout chez la femme ge (parfois l'origine de douleurs de surcharge postrieure). La disparition de la lordose lombaire avec raideur se voit dans les rachis douloureux et contracturs (hernies discale). On peut mme voir des inversions de la lordose lombaire dans l'arthrose et surtout la spondylarthrite ankylosante. La lordose est sollicite dans certains sports. On peut voir une augmentation de la cyphose dorsale (cyphose rgulire et fixe) dans la maladie de SCHEURMANN, dans la spondylarthrine ankylosante et dans les cyphoses sniles. Une cyphose angulaire avec gibbosit est souvent une squelle de


fracture ou le rsultat de tuberculose du rachis (Mal de POTT), ou une anomalie vertbrale congnitale. 1.4.6 Examen du rachis de face et de dos quilibre du bassin Le bassin est bien quilibr de face si la ligne des pines iliaques antro-suprieures Est horizontale et si la ligne des pines iliaques postrieures est horizontale, sure un sujet vu de dos. Le sillon inter fessier est vertical et les plis fessiers sont au mme niveau. quilibre des paules Un sujet normal ses deux paules au mme niveau (A). Un sujet scoliotique peut prsenter des paules dsquilibres, avec un axe occipito-fessier latralis (B). Certaines scolioses combines (avec deux courbures inverses). Peuvent tre bien quilibrer (C). 1.5. Modlisation du rachis [6] 1.5.1 Approche dtaille Dans la modlisation dtaille du rachis, chaque composant est pris en compte individuellement (ligaments, facettes articulaires, annulus et nucleus du disque intervertbral, ). Ces modlisations ont port dans un premier temps sur les units fonctionnelles du rachis lombaire : segment L2-L3 (Shirazi-Adl et coll., 1984), segments L4-L5 et L3L5 (Goel et coll., 1988). La gomtrie (disques, ligaments et facettes articulaires) est alors tire dtudes cadavriques par tomographie axiale. Lensemble du rachis lombaire a t par la suite modlis (Shirazi-Adl et Parnianpour, 1993). Lquipe du Laboratoire de biomcanique a investigu, depuis 1988, une approche diffrente. Lavaste et coll. (1992) ont ainsi propos un modle du rachis lombaire o la gomtrie est paramtre partir de six mesures dans les radiographies de face et profil (Figure 1-15), les donnes mcaniques sont, elles, tires de donnes exprimentales menes, au laboratoire, en parallle la simulation. Ces tudes fines permettent danalyser en dtail les composants du rachis, dvaluer la tenue dimplants (Skalli et coll., 1993 ; Goel et Gilbertson, 1995) mais ne sont pas compatibles avec la simulation du comportement de lensemble du rachis pendant la correction chirurgicale [6].


a)

b)Figure 1-15 : Modle dtaill (daprs Lavaste et coll., 1992) [20]

a) Modle du rachis lombaire b) Paramtres radiologiques permettant la construction du modle 1.5.2 Approche globale Dans la modlisation globale du rachis chaque niveau vertbral est constitu de quelques lments quivalant lunit fonctionnelle. Belytschko, Andriacchi, Schultz et coll. proposent, ds 1973, un modle idalis du rachis (Figure 1-16 a) comportant des corps rigides, pour les vertbres, associs des poutres dformables, pour les disques et les ligaments (Belytschko et coll., 1973). La gomtrie est tire de mesures sur pices cadavriques. Par la suite, la cage thoracique (Andriacchi et coll., 1976) et les muscles (Wynarsky et Schultz, 1991) sont ajouts ce modle. Dans un modle du mme type, les tissus mous sont galement pris en compte (Lee et coll., 1995).


Stokes et Laible, (1990) proposent une autre modlisation avec des lments deux nuds construits du centre du corps vertbral un autre, ces points tant obtenus par une mthode stroradiographique et les proprits mcaniques correspondant la littrature (Panjabi et coll. , 1976). La cage thoracique est galement reconstruite par stroradiographie et modlise, conduisant un modle spcifique pour chaque patient (Figure 1-16 b). Tout en conservant ce mme aspect global et personnalis (par mthodes stroradiographiques), lquipe du Laboratoire de biomcanique a progressivement affin cette approche de modlisation du rachis. les corps vertbraux et les disques (modliss par deux poutres) et les deux colonnes postrieures (droite et gauche) sont galement modlises par des poutres (Figure 116 c). Descrimes et coll. (1995) ont ensuite propos dajouter ce type de modle les lments postrieurs de manire plus fine (Figure 1-16 d) : apophyses et ligaments transverses et pineux ainsi que les facettes articulaires. Leborgne (1998) a enfin propos dajouter le bassin (Figure 1-16 e) et de personnaliser la fois gomtriquement et mcaniquement le modle du rachis.

a)

b)


c)

d)Figure 1-16 : Modles globaux du rachis [21].

e)

a) daprs Schultz et Hirsch, 1973 b) daprs Stokes et Gardner-Morse, 1993 c) daprs Portier et coll., 1993 d) daprs Descrimes et coll., 1995 e) daprs Leborgne et coll., 1999 Ces modles globaux permettent la simulation du comportement de lensemble du rachis pendant sa correction par manipulations manuelles (Lee et coll., 1994), par corsets (Adriacchi et coll., 1976 ; Wynarsky et Schultz, 1990 ; Gignac et coll., 2000) et par techniques chirurgicales (Schultz et Hirsch , 1973 ; Ghista et coll., 1988 ; Stokes et Gardner-Morse, 1993 ; Gardner-Morse et Stokes, 1994 ; Poulin et coll., 1998 ; Leborgne et coll., 1999 ; Verniest et coll., 2002). Cependant toutes ces simulations ne Prsentent pas le mme de degr de pertinence et de validation. Notamment, la personnalisation de la mcanique (en mme temps que la gomtrie) est un point important de la simulation.


ConclusionCette premire partie a permis de rappeler les notions fondamentales danatomie descriptive de la colonne vertbrale. Lanalyse des dformations rachidiennes dues la scoliose . Les rappels danatomie, prsents au dbut de ce mmoire ont permis dintroduire le contexte de ce travail de thse. Ainsi, lanalyse morphologique des dformations rachidiennes montre que la scoliose induit des dformations tridimensionnelles complexes, caractrises notamment par lapparition de courbures dans le plan frontal, de rotations axiales et dune importante cuniformisation des vertbres. Do limportance dtudier le rachis et la mobilite du rachis.

CHAPITRE II Caractristiques mcaniques des matriaux constituant l'articulation intervertbrale et la Cinmatique articulaire

CHAPITRE IICaractristiques mcaniques des matriaux constituant l'articulation intervertbrale et la Cinmatique articulaire

1. CARACTRISTIQUES DES MATRIAUX CONSTITUANT L LA COLONNE Sur le plan mcanique les matriaux sont caractriss intrinsquement par leur loi de comportement c'est--dire la relation contrainte-dformation. Ces lois de comportement ou encore ces relations entre contraintes et dformations pour un matriau sont traduites par des courbes reprsentant l'volution des dformations en fonction des contraintes mcaniques exerces sur le matriau. Frquemment il s'agit de courbes obtenues exprimentalement l'aide d'un essai de traction ou de compression. L'analyse de ces courbes permet de dfinir la nature du comportement (linaire non linaire lastique...) le module d'lasticit et le coefficient de Poisson s'il y a lieu la limite d'lasticit en contrainte s'il y a lieu et la contrainte de rupture. Nous allons rappeler les principaux rsultats concernant les diffrents tissus constituant le rachis. Dans certaines situations il n'est pas possible exprimentalement d'accder aux courbes contraintes-dformations on se contente alors des courbes effort-dplacement ces courbes dpendent de la nature du matriau mais aussi de la gomtrie de l'chantillon. L'analyse de ces courbes effort-dplacement permet de dfinir la nature du comportement la rigidit la limite d'lasticit en effort la force de rupture mais ces rsultats dpendent de la gomtrie de l'chantillon ; ainsi pour un matriau donn plus l'aire de la section S de l'chantillon sera importante plus la force de rupture en traction sera leve plus le rapport de S la longueur l de l'chantillon sera lev plus la rigidit en traction sera leve. [7]

Comportement et proprits mcaniques Contraintes-dformations En utilisant un chantillon de matriau de gomtrie simple cylindre ou parallpipde rectangle il est possible l'aide d'un essai de traction ou de compression de caractriser le comportement sous charge du matriau l'aide de la courbe contraintedformation. Cette courbe est obtenue en reportant en ordonne les valeurs de la contrainte normale exerce sur l'chantillon et en abscisse la valeur de la dformation relative de l'chantillon. La contrainte normale est obtenue en rapportant l'effort de traction ou de compression F appliqu sur l'chantillon l'aire S de la section droite de l'chantillon. La contrainte normale est gnralement note s avec s = F/S elle s'exprime en newton par mtre carr ou pascal pour des raisons pratiques on utilise plutt le newton par mm2 (N/mm2) ou mga-pascal (MPa). La dformation relative est obtenue en rapportant l'allongement ou la compression de l'chantillon la longueur initiale l0 de l'chantillon. La dformation relative est gnralement note avec = Dl/l0 ou (l - l0)/l0 il s'agit d'un terme sans dimension.


Figure 8. Essai de compression uniaxiale quasistatique sur un cylindre de section S et de longueur initiale L0 [13].

L'lasticit du matriau est reprsente par le module d'Young E. Sa rsistance est reprsente par la contrainte la rupture max. Sa capacit se comprimer est reprsente par la dformation la rupture max.

Nature du comportement dtermination de e r E Pour la plupart des matriaux la courbe contrainte-dformation fait apparatre deux zones principales : une premire zone prsentant la proprit de rversibilit avec retour au zro suivant le mme chemin que le trajet aller lorsqu'on ramne la charge zro. Cette zone est appele zone lastique. Pour certains matriaux cette zone est reprsente par une droite passant par l'origine on dit alors que le comportement est lastique linaire pour d'autres matriaux cette zone est reprsente par une courbe on dit alors que le comportement est lastique non linaire. La contrainte atteinte en fin de zone lastique est appele contrainte limite d'lasticit et la dformation correspondante dformation limite lastique. Cette contrainte est note se elle caractrise la capacit du matriau revenir son tat initial lorsque la sollicitation est supprime ;

une deuxime zone non rversible prsentant une dformation rsiduelle lorsqu'on supprime l'effort conduisant la rupture si l'on poursuit le chargement. La contrainte obtenue lors de la rupture est appele contrainte limite la rupture et est note r. L'cart entre e et r dpend de la nature du matriau. L'tendue de la dformation entre e et r dpend galement de la nature du matriau. Lorsque cette tendue de dformation est faible le matriau est qualifi de fragile ; lorsque cette tendue de dformation est importante le matriau est qualifi de ductile. Lorsqu'on ne dispose que de la courbe force-dplacement les rsultats sont exprims en force


et allongement. Ainsi on obtient la force la rupture FR et l'allongement la rupture lR. Module d'lasticit Lorsque le matriau prsente un comportement linaire lastique il est possible de dterminer la rigidit intrinsque du matriau en tablissant le rapport s/e existant entre contrainte et dformation. Ce rapport est not E et est appel module d'lasticit. Ce rapport caractrise la rigidit du matriau il correspond la pente de la droite reprsentative du comportement linaire. La dformation e tant sans dimension ce rapport est exprim en newton par mtre carr ou en newton par millimtre carr. Pour l'acier par exemple E est voisin de 200 000 N/mm2 alors que pour le tissu osseux cortical E est de l'ordre de 15 000 N/mm2. Lorsque le matriau ne prsente pas de zone linaire lastique on introduit le module d'lasticit tangent dtermin pour une valeur de . A cet effet on tablit le rapport entre la variation de contrainte et la variation correspondante de dformation . Ce terme correspond la pente de la tangente la courbe de comportement pour la valeur . Lorsqu'on ne dispose que de la courbe force-dplacement si le comportement est linaire on introduit la rigidit de l'chantillon en calculant le rapport F/l existant entre force et allongement ce rapport est not K et est exprim en newton par mm (N/mm). Si le comportement est non linaire on introduit alors la rigidit tangente pour une valeur de F donne. Coefficient de Poisson Lorsqu'on exerce un effort de traction ou de compression sur un chantillon il se produit simultanment une dformation longitudinale L et une dformation transversale T de l'chantillon. Ainsi l'allongement sous traction est accompagn d'une rtraction transversale le raccourcissement sous compression est accompagn d'un accroissement transversal. Le rapport entre T et L est appel coefficient de Poisson et est not = T/L. Pour les matriaux courants les valeurs de varient entre 0 2 et 0 45 elles constituent l'une des caractristiques mcaniques du matriau. Fluage-relaxation Pour certains matriaux l'analyse du comportement doit prendre en compte le paramtre temps. Ainsi lorsqu'on maintient sur un chantillon une force constante durant un temps pouvant aller de quelques minutes plusieurs heures on peut observer une volution asymptotique de l'allongement de l'chantillon on dit alors qu'il y a fluage du matriau. De mme lorsqu'on maintient constant l'allongement d'un chantillon durant plusieurs minutes on peut observer une volution asymptotique de l'effort permettant de maintenir cette dformation on dit alors qu'il y a relaxation. Le fluage et la relaxation sont trs souvent lis aux proprits de viscosit des matriaux le fluage et la relaxation dpendent de la nature du matriau et du niveau de sollicitation ou d'allongement. Lorsqu'il y a retour l'tat initial aprs suppression de la sollicitation le matriau est qualifi de viscolastique dans le cas contraire il est qualifi de viscoplastique. Pour ces matriaux les courbes de comportement sont dpendantes de la vitesse de dformation ou de la vitesse de mise en charge impose par la machine d'essais. [7]


2. Caractristiques mcaniques des matriaux constituant l'articulation intervertbrale L'articulation intervertbrale est compose de tissus rigides : les tissus osseux constituant les vertbres (corps vertbraux, pdicules, massifs articulaires, apophyse transverse, lames et apophyse pineuse); de tissus mous : les tissus ligamentaires et le discale. Les proprits mcaniques des tissus osseux et des tissus mous obtenues exprimentalement dpendent de nombreux paramtres. Elles varient non seulement avec l'emplacement et le type de tissu, avec le protocole exprimentale utilis, mais aussi avec les sujets sur lesquels les chantillons ont t prlevs (ge, sexe, tat pathologique.).il est trs important de noter qu'il s'agit l d'une diffrence majeure avec les matriaux plus couramment tudis tels que les matriaux mtallique. Plusieurs auteurs ont analys l'influence de ces diffrents paramtres. [8] 2.1 Tissu cortical L'organisation structurale du tissu cortical avec l'orientation longitudinale des ostons confre ce tissu des proprits mcaniques diffrentes selon les directions, cependant l'os compact peut tre considr comme transversalement isotrope . Pour obtenir les caractristiques mcaniques du tissu cortical les exprimentations font appel soit des essais mcanique (compression,traction,torsion) soit des mthodes ultrasonores non destructives les principaux rsultats prsents dans la littrature spcialise varient trs sensiblement d'un auteur l'autre. Le tableau T 2.1 donne un exemple de ces rsultats. Goel (synthse) 12000 0,3 Yoon 27400 0,3 162 152 205 135 Yamada Reilly 17000

E longitudinal (N/mm2) V r compression (N/mm2) r traction (N/mm2)

Tableau 2-1: caractristiques mcaniques du tissu cortical [8].

2-2 Tissu spongieux L'obtention des proprits mcaniques de l'os trabculaire est plus complexe en raison de la structure de ce tissu, form d'alvole contenant de la moelle. L'os spongieux est un matriau qui peut tre qualifi de non homogne, anisotrope et viscolastique. Le tableau T2-2 prsente quelques caractristiques mcaniques de l'os trabculaire vertbral obtenus lors d'une compression axiale. Il est noter que ces valeurs sont beaucoup plus faibles que celles obtenues pour l'os spongieux fmoral ou tibial qui voluent entre 200 N/mm2 et 700 N/mm2 selon les auteurs.


Certains auteurs ont prpos des relations entre le module d'lasticit et la densit apparente des chantillons. Gnralement ces auteurs prsentent des relations en puissance. GOLDSTEIN E (N/mm2) v r compression (N/mm2) 1,1-428 0,06-15 WHITE et PANJABI 22-55 1,5-4,5 GOEL 68-88 0,14-0,2 1,5-2 HANSSON 23 1,5 ESCANDE 80

Tableau 2-2: caractristiques mcaniques du tissu trabculaire du corps vertbral [8].

2-3 Tissu discal La structure de l'annulus constitue de fibres et d'une matrice confre ce matriau un comportement anisotropie; Brown puis Galante ont mis en vidence l'htrognit et l'anisotropie du tissu discal en ralisant des essais de traction sur des prouvettes prleves dans l'annulus dans diffrentes directions et diffrents niveaux. Ainsi Galante a fait apparatre l'htrognit du tissu discal en prlevant des prouvettes horizontales de traction de la zone priphrique antrieure et postrieure la zone centrale, il a observ une plus grande rigidit en zone priphrique qu'en zone centrale. De mme il a prlev des prouvettes suivant des angles d'inclinaison variable par rapport l'horizontale. La rigidit des prouvettes est maximale pour un angle de 15 par apport au plan du disque, elle est plus faible dans l'axe du disque. La contrainte la rupture est maximale dans la direction des fibres, elle est trois fois suprieure la contrainte la rupture des chantillons prlevs paralllement au plan du disque. Wu pour sa part a mis en vidence la non linarit du comportement du tissu discal en ralisant des essais de traction sur des prouvettes prleves paralllement au plan frontal et transverse il a pu obtenir ainsi le module d'lasticit tangent l'origine. Le tableau T2-3 prsente les rsultats obtenus par ces auteurs. BROWN (axiale) 1,4 GALANTE (horizontale) 3,50,3 GALANTE (sens fibre) 10,70,9 WU 3,7

E (N/mm2) r (N/mm2)

Tableau2-3: caractristique mcaniques du tissu discal [8].

Des tudes de comportement ont t ralises sur le disque entier, elles permettent de dterminer les rigidits de ce dernier en compression, traction et cisaillement et de donner les forces de rupture. Les tableaux T2-4 et T2-5 prsentent les rsultats obtenus par plusieurs auteurs concernant le disque lombaire et dorsal et le disque cervical. Les rsultats de Markolf montrent que le disque lombaire et dorsal est plus souple en traction qu'en compression que la force de rupture en cisaillement est beaucoup plus faible que la force de rupture en compression.


Les rsultats de Moroney montrent que les rigidits discales sont beaucoup plus faibles pour les disques cervicaux et lombaires. K compression AUTEURS (N/mm) NACHEMSON 700-2500 BROWN FARFAN VANNEULLE MARKOLF 1800 rigidit K K traction (N/mm) K FR FR cisaillement compression cisaillement (N/mm) (N) (N) 1000-5300

1000

260

1800

150

Tableau 2-4: rigidit et force de rupture du disque intervertbral et lombaire et dorsal [8]

rigidit K MORONEY

K compression (N/mm) 492 (472)

K cisaillement antrieur (N/mm) 62 (63)

K cisaillement postrieur (N/mm) 50(36)

K cisaillement latral (N/mm) 73 (62)

Tableau 2-5: Rigidit des disques cervicaux. [8] Les valeurs entre parenthses correspondent l'cart type.

2-4 Tissu ligamentaire La gomtrie et la structure des ligament rendent trs difficile l'tablissement des courbes contrainte limite la rupture r.par contre il est en gnral plus ais et plus fiable d'accder aux courbes forces dplacement permettant d'obtenir la rigidit "k" et la force de rupture"Fr".les courbes de comportement force dplacement obtenues lors d'un essai de traction de ligament sont semblables entre elles (fig. 2-1). Elles prsentent :-une premire zone quasi lastique OAB comportant elles mme deux zones :une zone OA non linaire faible rigidit,une zone AB linaire une deuxime zone BC non lastique non linaire prsentant un assouplissement avant rupture en C.

Fig2-1 : courbe force dplacement typique pour un ligament OAB zone comportement lastique : OA zone "d'adaptation" faible rigidit ; AB zone linaire non lastique. [8]


L'tendue respectivement de chacune de ces zones dpend de la nature du ligament. Certains auteurs donnent les caractristiques mcaniques des ligaments aux points A, B etC. Nous nous limiterons ici rapporter les rsultats obtenus la rupture, ainsi que les rsultats relatif la rigidit lorsque ces derniers sont connus. Les tableaux T2-6, T2-7, T2-8 qui suivent prsentent successivement les rsultats obtenus par plusieurs auteurs, pour les ligaments du rachis cervical suprieur, pour les ligaments de l'ensemble du rachis cervical et pour les ligaments du rachis thoracique et lombaire. Il faut noter que la fiabilit des rsultats prsents est variable. Ces tableaux nous donnent les grandes tendances pour les forces la rupture pour l'ensemble des ligaments et les grandes tendances pour les rigidits des ligaments du rachis thoracique et lombaire.

FR (N) lR (mm)

C0-C1 Me Mem.At m.A l. tl. Occ.Pos Occ t. .Ant . 233 83 19 18

C1-C2 L.L. L. L.C A T .

L.Occ. Odontoid ie n

C1-C2 L.Alair L.cruc Mem. e i. tectorial vertica e l 357 14 436 25 76 12

281 12

11 3 9

157 11, 5

214 11,5

Tableau 2-6: caractrisation mcanique des ligaments du rachis cervical suprieur [8].

FR (N)

L.L.A (1) 140 (2) 113 (3) 120

L.L.P. (1) 185 (2) 90

L.C. (2) 205

L.J. (2)93 (3) 180

L.I.E. (2) 32

R (N/mm2) (1) 11 lR (mm) (1) 2,5 (2) 7,5 (3) 7,5 K(N/mm) (3) 36

(1) 20 (1) 205 (2) 6

(2) 9

(2) 7.5 (3) 7,5 (3) 22

(2) 7

Tableau 2-7: Caractristiques mcaniques des ligaments de l'ensemble du rachis cervical infrieur [8].

L.L.A.: ligament latral antrieur, L.L.P. : ligament latral postrieur, L.C. ; ligament capsulaire, L.J. : ligament jaune, L.I.E. : ligament inter pineux.


FR (N)

L.L.A (2) 330 (3) 438

L.L.P. (2) 180 (3) 324

L.C. (6) 722(158)

L.J. (3) 414

L.I.E (4) 204 (6) 235(6 4) (3)9

L.S.E (3) 204 (6) 218(66)

L.I.T. (3) 95

R (N/m m2) lR (mm) K(N/ mm)

(2) 22 (3) 11 (7)9.10.6 (3)5

('2) 17 (1)2-10 (3) 21 (3)15 (7)7.24.2 (7)13.21.1 (3)4 (3)3 (1)133 (4)272 (7)242 36 (3)2677

(3)9 (3)4.3

(3)51 (3)1.5

(4)420 (6)260(43) (7)329209 (7)10055 (7)31779

(4)12 4 (6)12 9(29) (7)12 126

(4)75 (6)106(3 8) (7)1596 9

E (N/m m2)

(3)30-60

(3)30-60

Tableau2-8 : Caractristiques mcaniques des ligaments du rachis thoracique et lombaire[8].

Les valeurs entre parenthses aprs les rsultats correspondent aux carts types. L.L.A. : ligament latral antrieur, L.L.P. : ligament latral postrieur, L.C. : ligament capsulaire, L.J. : ligament jaune, L.I.E. : ligament interpineux, L.S.E.: ligament surpineux, L.I.T. : ligament intertransversaire. 3. Cinmatique articulaire L'tude exprimentale de la cinmatique articulaire permet de caractriser les mouvements relatifs entre deux segments corporels adjacents lors d'une situation naturelle : marche sur sol horizontal, monte d'un escalier qu'il s'agisse de l'articulation coxo fmorale, fmoro patellaire, fmoro tibiale. ou de l'articulation intervertbrale. La cinmatique articulaire est dpendante de la stratgie de commande musculaire, de la forme des surfaces articulaires de la forme des surfaces articulaire de la forme des butes articulaires, du comportement mcanique des ligaments et des zones d'insertion ligamentaires. Pour l'articulation intervertbrale il faut ajouter l'influence du disque intervertbral. La colonne vertbrale tant assimile un mcanisme polyarticul constitu d'lments quasiment rigides (les vertbres) et d'lments trs dformables (les disques et l'appareil ligamentaire) le tout actionn par des muscles, l'tude du mouvement de la colonne sera ramene l'tude du mouvement des vertbres. Pour tudier le mouvement du rachis il est donc ncessaire de faire appel des repres lis chacune des vertbres ou repres anatomiques locaux. Le repre local sera constitu par une origine O confondue avec le point milieu de la droite joignant les centroides


O et O1 des plateaux vertbraux suprieurs et infrieurs. Par un axe Oz confondu avec la droite O1O, par un axe Ox postro antrieur perpendiculaire Oz et enfin par un axe Oy latral perpendiculaire Ox et Oy (fig3-1). L'axe Ox sera appel axe d'inflexion latrale, ou axe d'inclinaison frontale, l'axe Oy axe de flexion extension ou axe d'inclinaison sagittale, l'axe Oz axe de rotation axiale. [8] [7] -

Fig. 3-1 repre de rfrence, a: repre local, b: repre global [8].

3.1 Degr de libert et mobilit intervertbrale Avant d'tudier les mouvements intervertbraux il parait souhaitable de prciser la signification de plusieurs termes utiliss en cinmatique rachidienne. Unit fonctionnelle : c'est un ensemble constitu de deux vertbres adjacentes et des lments de liaison (disque et ligaments). Position de rfrence ou position neutre : in vivo, c'est la position qu'occupe l'ensemble des vertbres par rapport au repre global lorsque le sujet est debout en position droite le regard fix sur l'horizon ; in vitro, c'est la position qu'occupent les vertbres d'un segment ou d'une unit fonctionnelle par rapport au repre rgional lorsque aucune sollicitation n'est exerce sur le segment ou l'unit fonctionnelle. Les Amplitudes de mobilit pour une unit fonctionnelle : ce sont les amplitudes des dplacements angulaires et linaires de la vertbre sus -jacente lors de son passage de la position neutre la position extrme physiologique, la vertbre sous-jacente tant le solide de rfrence pour l'tude de ce dplacement. Amplitude de mobilit pour un segment rachidien : sont les amplitudes des dplacements angulaires et linaires de la vertbre suprieure lors de son passage de la position neutre la position extrme physiologique, la vertbre infrieure du segment tant le solide de rfrence pour l'tude de ce dplacement. Zone neutre pour une unit fonctionnelle : c'est la zone de dplacement physiologique de la vertbre sous-jacente par rapport la vertbre sousjacente o le mouvement s'effectue sans rsistance ou presque de la part des lments de liaison (disque et ligaments). La zone neutre est trs marque pour les units Fonctionnelles cervicales elle l'est beaucoup moins pour les units fonctionnelles lombaire. Amplitude de mobilit angulaire en flexion extension pour une unit fonctionnelle in vitro : c'est l'amplitude du dplacement angulaire en flexion extension (ou inclinaison sagittale) obtenu sous l'effet d'un couple de flexion puis d'extension extrme appliqu sur la vertbre sus-jacente. La mme dfinition s'applique pour les


mobilits angulaires en inflexion latrale droite- gauche, en torsion droite - gauche. Amplitude de mobilit angulaire in vivo en flexion extension pour une unit fonctionnelle : c'est l'amplitude du dplacement angulaire obtenu lors d'un mouvement de flexion extension actif ou passif extrme du sujet. La mme dfinition s'applique pour les mobilits angulaires en inflexion latrale et en torsion. Les dfinitions peuvent tre aisment tendues aux segments rachidiens. Si l'on examine les possibilits de mouvement d'une vertbre par rapport la vertbre directement sous- jacente on peut estimer qu'il existe trois degrs de libert en rotation : inflexion latrale droite gauche, flexion extension et rotation axiale droite gauche et trois degrs de libert en translation antro postrieure et postro antrieure ou cisaillement antro postrieur et postro antrieur, translation latrale droite gauche ou cisaillement latral droite gauche, translation axiale ou traction compression. L'unit fonctionnelle vertbrale possde donc six degrs de libert. Par contre les amplitudes de dplacements de la vertbre sus jacente par rapport la vertbre sous jacente tant en translation qu'en rotation sont limites par des freinds (les ligaments) et des butes (les apophyses articulaires, les apophyses pineuses). Par ailleurs la prsence de surfaces articulaires engendre un guidage de certains mouvements de la vertbre suprieure de par rapport la vertbre infrieure les six degrs de libert ne sont donc pas tous entirement indpendants les uns des autres. 3-2 Obtention des amplitudes de mobilit Afin de mettre en vidence un dysfonctionnement du rachis sur le plan cinmatique, il est ncessaire de possder une bonne connaissance de la normalit de la cinmatique rachidienne. L'utilisation des rsultats de la bibliographie pour ce qui est des amplitudes de mobilits physiologiques d'une unit fonctionnelle ou d'un segment vertbral pose encore aujourd'hui des problmes tant est grande la disparit des rsultats annoncs par les auteurs. Pour connatre les amplitudes de mobilits intervertbrales ou segmentaires il set possible soit de faire appel des analyses in vitro 3-3 Mobilit intervertbrale et segmentaire Nous prsenterons les rsultats obtenus in vivo et in vitro en prcisant autant que possible les paramtres de la mesure. Il est nanmoins conseiller de se reporter aux textes les rfrences sont cit si l'on dsire obtenir plus de prcisions. 3.3.1Amplitudes des mobilits intervertbrales lombaires et lombo-sacrs Sollicitation Niveau L1-L2 L2-L3 L3-L4 L4-L5 L5-S1 Flexion Extension 5-12 7-16 8-16 8-16 7-17 Inflexion Latrale 5-10 7-14 7-12 6-12 Rotation Axiale 1-4.5 2-5 1-5 2-4 1-3

Tableau II-1 : Amplitude de mobilit en flexion extension, inflexion latrale, rotation axiale des units fonctionnelles lombaires [8].


3-3-1-1 Flexion extension, inflexion latrale, rotation axiale (fig. 3-4, 3-5, 3-6 et tableau II-1) Les courbes des figures 3-4, 3-5, 3-6 prsentent les volutions des mobilits intervertbrales lombaires de L1-L2 L5-S1 obtenues in vivo et in vitro par diffrents auteurs. Lorsque les mobilits intervertbrales lombaires ont t dtermines par des exprimentations in vitro, la valeur du couple maximum appliqu, correspondant l'amplitude de mobilit annonce, est mentionne entre parenthses cot du nom de l'auteur, figure galement entre parenthses l'anne de la publication . Les rsultats apparaissant sur ces trois figures mettent bien en vidence la disparit des valeurs de mobilits intervertbrale annonces par les auteurs. Il est cependant possible, partir de ces donnes, d'identifier des valeurs moyennes de mobilits intervertbrales.

Fig. 3-4- Amplitudes de mobilit en flexion extension [8].

Fig.3-5-Amplitudes de mobilit en inflexion droite gauche [8].


Fig. 3-6- Amplitude de mobilit en rotation axiale droite gauche [8]

3-1-1-1-1 Flexion -extension Les courbes de la figure 3-4 prsentent l'volution des valeurs des mobilits intervertbrales en flexion extension de L1-L2 L5-S1. les trois courbes en traits forts ont t traces partir des va leurs maximum, minimum et moyennes des amplitudes de mobilits intervertbrales obtenues in vivo par plusieurs auteurs dont Allbrook (1), Plammadon (50), Tenz (55), Claysson(9), Frobnning(17), Pearcy(48), Hayers (24), Dvorak (13), etc. Les sept autres graphes correspondent l'volution des amplitudes de mobilit intervertbrale obtenues in vitro par les sept autres auteurs. Il faut remarquer que les valeurs obtenues par ces sept auteurs se situent, pour la plus part d'entre elles, entre les valeurs maximum et minimum de mobilit obtenue in vivo. En valeurs moyenne l'amplitude de la mobilit intervertbrale en flexion extension croit progressivement de L1-L2 L5-S1. Elle vaut moyenne 10 en L1-L2, 12 en L2L3, 13 en L3-L4, 14 en L4-L5, et atteint 15 en L5-S1 (fig. 3-4). Les valeurs maximum et minimum des amplitudes de mobilits intervertbrales en flexion extension obtenues in vivo sont reportes dans la premire colonne du tableau II-1. 3-3-1-1-2 Inflexion latrale La figure 3-5 nous montre les rsultats exprimentaux in vivo de plusieurs auteurs. In vitro , part deux exprimentateurs, la plus part des exprimentateurs ont appliqu des couples voisins de 10Nm. Tous rsultats confondus les amplitudes de mobilit en inflexion latrale droite gauche sont comprises entre 5 et 10 en L1-L2, entre 6et 14 en L2-L3, entre 6 et 12 en L3-L4, entre 4et 13 en L4-L5. On constate nouveau une proximit des rsultats obtenus in vitro pour des couples voisins de 10 Nm avec les rsultats obtenus in vivo. En valeur moyenne on peut noter un accroissement de


mobilit de L1-L2 L2-L3 de 2 puis une stabilit de la mobilit moyenne jusqu'en L4-L5. 3-3-1-1-3 Rotation axiale La figure 3-6 nous montre les rsultats exprimentaux in vivo et de plusieurs auteurs. A nouveau, in vitro, la valeur du couple de torsion applique par la majorit des exprimentateurs est voisine de 10 Nm. Tous rsultats confondus les amplitudes de mobilit en rotation axiale droite gauche restent faibles elles sont comprises entre 1 et 4.5 en L1-L2, entre 2 et 5 en L1-L3, entre 1 et 5 en L4-L5 et entre 1 et 3 en L5S1. L'analyse de la tendance gnrale de l'volution des mobilits en rotation axiale semble faire apparatre une stabilit de la mobilit de L1-L2 L4-L5 et une diminution de l'ordre du degr de L4-L5 L5-S1.

3-3-1-2 Comparaison des trois amplitudes de mobilit angulaire 3-3-1-2-1 Amplitude principale C'est en flexion extension que les amplitudes de mobilit sont les plus importantes et c'est en L4-L5 et L5-S1 que la diffrence est la plus marque entre la flexion extension et l'inflexion latrale. Les amplitudes de mobilit en rotation axiale sont trs faibles devant celles de la mobilit en flexion extension et en inflexion latrale. Le rapport des amplitudes de mobilit entre flexion extension et rotation axiale est significatif puisqu'il est de l'ordre de 8. 3-3-1-2-2 Mouvements coupls Les mouvements coupls sont obtenus lors d'une sollicitation en torsion et lors d'une sollicitation en inflexion latrale. La plus part des tudes faisant apparatre ces couplages ont t conduites in vitro sur des segments lombaires. Lorsque l'on applique un couple de torsion sur la vertbre suprieure du segment il s'en suit un mouvement de couplage en inflexion latrale. Ce mouvement associ est du la courbure du segment et l'orientation des facettes articulaires. Le sens du mouvement de couplage en inflexion latrale associ la torsion est directement li la direction du couple de torsion appliqu sur le segment et la position du segment, les rsultats obtenus par diffrents auteurs ne sont donc comparables que si le mme protocole exprimental a t utilis pour l'application des couples et la fixation du spcimen. Ainsi lorsque le segment est fix en S1 en respectant l'horizontalit du disque L3-L4, lorsque le couple de torsion appliqu sur L1 est de direction verticale, l'inclinaison latrale couple la rotation axiale se fait dans le sens oppos celui de la rotation axiale entre L1 et L3, dans le mme sens que celui de la rotation axiale de L3 L5. Des remarques analogues peuvent tre faites lorsque l'on applique un couple d'inflexion latrale. 3-3-1-2-3 Zone neutre La neutre de L1-L2 L5-S1, que ce soit en flexion extension, inflexion latral ou rotation axiale reste trs faible, de l'ordre de 1 2. Pour un segment normal ces zones neutres sont difficilement identifiables exprimentalement, et non significatives.


3-3-2 Amplitudes des mobilits intervertbrales thoraciques et thoraco-lombaires Quelques auteurs se sont intresss la cinmatique du rachis thoracique, White et Hirsh en 71, Markolf en 72, Panjabi en 76 et 94, Yaszemski (64) en 92, Oxland (43) en 92 et Koubaa (25-26) en 95. de ces travaux on peut retenir les rsultats obtenus par Yaszemski, Oxland et Koubaa qui assez semblables.3-3-2-1 Flexion extension, inflexion latral, rotation axiale (tableau TII-2 etTII-3)

En flexion- extension, inflexion latral et torsion pour les units fonctionnelles comprises entre T1-T2 etT11-T12 les rsultats de Yaszemski sont rcapituls dans le tableau II-2. pour la charnire thoraco lombaire les rsultats d'Oxland sont rcapituls dans le tableau II-3. Sollicitation niveau T1-T2 T3-T4 T4-T5 T7-T8 T8-T9 T11-T12 Flexion Extension 4 6 12 Inflexion Latrale 6 8 8 Rotation Axiale 8 8 4

TableauII-2 : Amplitudes de mobilit en flexion extension, inflexion latrale, rotation axiale des units fonctionnelles thoraciques selon le niveau [8]

Sollicitation Niveau T11-T12 T12-L1

Flexion 2.7 1.3 2.9 1.3

Extension 2.4 1.3 3.9 1.3

Inclinaison latrale 7 2.2 7.4 2.2

Rotation axiale 3.6 1.4 2.4 1.4

Tableau II-3 : Amplitudes de mobilit en flexion, latrale, rotation axiale des units fonctionnelles de la charnire thoraco lombaire d'aprs les travaux de Oxland (43) [8].

3-3-2-1-1 flexion -extension L'amplitude de la mobilit intervertbral en flexion extension volue progressivement de la rgion thoracique suprieure la rgion thoracique infrieure. Cette mobilit en flexion extension est de 4 en T1 T2 de 6 en T4- T5 et de 12 T11 T12. dans la rgion de la charnire thoraco lombaire l'examen de l'volution de la mobilit intervertbrale en flexion et en extension fait apparatre un accroissement signification de la mobilit intervertbrale en extension de T11 T12 T12 L1 (Tableau II-3). 3-3-2-1-2 inflexion latrale L'Amplitude de la mobilit intervertbrale en inflexion latrale est sensiblement constante pour la rgion thoracique. Cette mobilit en inflexion latrale droite gauche volue de 6 en T1 T2 8en T11 T12


3-3-2-1-3 rotation axiale L'Amplitude de la mobilit intervertbrale en rotation axiale pour les units fonctionnelles de la rgion thoracique suprieure et moyenne est sensiblement constante, elle vaut 8 en moyenne. Cette mobilit intervertbrale en rotation axiale dcrot 'a partir de T8-T9, elle est n'atteint, en moyenne, que 3, 6 en T11- T12 et passe 'a 2, 4 en T12- L1 (tableau TII-3) 3-3-2-2 Zone neutre et mouvements de couplage En rgion thoracique la zone neutre, quelle que soit la sollicitation envisage reste trs faible, infrieur au degr. De mme les amplitudes des mouvements de couplage associs la rotation axiale ou l'inclinaison latrale restent faibles. 3-3-3 Amplitudes des mobilits intervertbrales cervicales Le rachis cervical comme le rachis lombaire est frquemment le sige de lsions traumatiques, de pathologies dgnratives responsables de douleurs et de troubles neurologiques. La connaissance de la cinmatique "normale" de cette rgion revt donc un caractre particulirement important. En raison du comportement cinmatique spcifique du rachis cervical nous prsenterons les mobilits des diffrentes units fonctionnelles cervicales en diffrenciant celles appartenant au rachis cervical suprieur de celles appartenant au rachis cervical infrieur. De trs nombreux auteurs se sont intresss la cinmatique du rachis cervical, soit in vivo, soit in vitro. Nous en avons dnombr plus de trente ayant publi antre 1960 et 1994, dont la moiti ont effectu des analyses in vivo. Parmi les auteurs ayant tabli rcemment des rsultats partir de mesures sur plus de 10 sujets ou plus de 10 spcimens il faut retenir les travaux de Lysell (35), Mestdagh (37), Goel (19), Schulte (53), Panjabi (47), Crisco (10), Wen (60), Lai (27), et Wite (61). Nous avons utilis les rsultats de certains d'entre eux pour tablir les tableaux de synthse T3-5 et T3-6 concernant les valeurs de zone neutre et de couplage, par contre nous avons utilis les Amplitudes de mobilit. Il faut noter qu'il n'a pas t mis en vidence dans cette synthse de diffrences significatives entre les moyennes des tudes in vitro et des tude in vivo, par contre il a t relev de grandes diffrences de rsultats entre les auteurs qu'il s'agisse d'tudes in vivo ou in vitro. Les carts sont dus la fois la disparit des protocoles utilises et aux variations inter individuelles. Enfin il faut noter que les rsultats obtenus globalement pour le rachis cervical suprieur, pour le rachis cervical infrieur, pour l'ensemble du rachis cervical ne correspondent pas la somme des mobilits des units fonctionnelles, car ces rsultats globaux n'ont pas toujours t obtenus par les auteurs ayant tudis les mobilits des units fonctionnelles.


3-3-3-1 Amplitudes de mobilit angulaire du rachis cervical suprieur C0-C2 (Tableau TII-4) En flexion extension l'amplitude de la mobilit intervertbrale volue de faon significative de C0-C1 C1- C2. elle vaut en moyenne 28 en C1- C2 l'amplitude de la mobilit en flexion extension du segment C0-C1 reprsente prs de 40% de l'amplitude de mobilit en flexion extension de l'ensemble du rachis C0-C7. En inflexion latrale droite gauche l'amplitude de la mobilit intervertbrale en inflexion latrale droite gauche croit de 30% de C0-C1 C1-C2. Elle vaut en moyenne 10 en C0-C1 et 13 en C1-C2. L'amplitude de la mobilit en inflexion latrale du segment C0-C2 reprsente 25% de l'amplitude de mobilit en inflexion latrale de l'ensemble du rachis cervical C0-C7 En rotation axiale droite gauche l'amplitude de la mobilit intervertbrale volue trs fortement de C0-C1 C1C2. elle vaut en moyenne 6.5 en C0-C1 et 73 en C1-C2. L'amplitude de la mobilit intervertbrale en rotation axiale en C1-C2 reprsente 60% de l'amplitude de mobilit en rotation axiale de l'ensemble du rachis cervical C0-C7. 3-3-3-2Amplitude de mobilit angulaire du rachis cervical infrieur C2-C7(Tableau TII-4)

En flexion extension les amplitudes de mobilit angulaire voluent en moyenne entre 11 et 19 le long du rachis cervical le maximum 19 tant atteint en C5- C6, le minimum 11 en C2-C3. en inflexion latrale droite gauche les amplitude de mobilit sont plus faibles, ces valeurs sont en moyenne comprises entre 9 et 12. En rotation axiale droite gauche les amplitudes de mobilit intervertbrale sont comprises entre 7.5 et 11.5 bien plus faible qu'en C1-C2. sollicitation Flexion Extension niveau C0-C1 C1-C2 C0-C2 C2-C3 C3-C4 C4-C5 C5-C6 C6-C7 C2-C7 C0-C7 28(12) 19(9) 46.5 (14.5) 11.5 (5) 17(6) 17(5.5) 19(6.5) 16(5) 87.5 (19) 127(15) Inflexion latrale 10(2.5) 13(9) 20.5 (8) 12(7) 12(6) 11(5) 10(5.5) 9.5 (5) 60(25) 82(23) Rotation axiale 6.5 (6.5) 73(17) 80(17) 12(9) 12(7) 10(6) 10(7) 7.5 (4.5) 60(28) 128(21)

Tableau II-4 : synthse des mobilits du rachis cervical [8].


3-3-3-3 Zone neutre Nous n'avons trouv que quatre auteurs ayant tudi la zone neutre pour le rachis cervical Panjabi (47), White (61), Crisco (10) et Wen (60). Le tableau TII-5 rsume les rsultats obtenus par ces auteurs. Pour toutes les units fonctionnelles du rachis cervical et pour toutes les sollicitations la zone neutre est importante elle reprsente en moyenne de 50 80% de l'amplitude totale de mobilit sauf en C0-C1 pour la flexion extension o elle n'atteint que 15% de l'amplitude totale. La zone neutre est la plus importante en C1-C2 pour la rotation axiale o elle atteint en moyenne 60 soit prs de 80% de l'amplitude totale de mobilit. Sollicitation niveau C0-C1 C1-C2 C2-C3 C3-C4 C4-C5 C5-C6 C6-C7 Flexion extension 4(2) 10.5(4) 7 14 9 11 8 Inflexion latrale 7(4) 8(5) 10 10 8 8 6 Rotation axiale 4(2.5) 60(5) 7 10 8 7 4

Tableau II-5 Zone neutre des units fonctionnelles. Les valeurs entre parenthses reprsentent les carts types [8].

3-3-3-4 Mouvements de couplage Sept auteurs ont tudi les mouvements de couplage pour le rachis cervical, Panjabi (46), Wen (60), Lai (27), Minura (38), Lysell (35), Goel (19), Schulte (53). Le tableau TII-6 rsume les rsultats obtenus par ces auteurs. En inflexion latrale les mouvements de rotation axiale associs atteignent 25 60% du mouvement principal sauf en C1-C2 ou le mouvement coupl est plus important que le mouvement principal, il atteint 228% du mouvement principal. En rotation axiale les mouvements d'inclinaison latrale associs atteignent 25 80% du mouvement principal. Couplage Niveau C0-C1 C1-C2 C2-C3 C3-C4 C4-C5 C5-C6 C6-C7 Rotation axiale Inclinaison latrale 0.4 (0.1) 2.3 (0.2) 0.6 (0.2) 0.5 (0.1) 0.5 (0.2) 0.4 (0.1) 0.25 (0.2) Inclinaison latrale Rotation axiale 0.8 (0.2) 0.25 (0.1) 0.4 (0.5) 1.1 (0.5) 0.7 (0.2) 0.6 (0.2) 0.6 (0.2)

Tableau II-6 : Valeur des rapports de couplage pour les units fonctionnelles du rachis cervical. Les valeurs entre parenthses reprsentent les carts types [8].


Conclusion Les valeurs moyennes accompagnes d'carts types ou de valeurs extrmes. Pour une mme grandeur physique les variations d'un auteur a l'autre. Aussi pour pouvoir analyser rigoureusement des rsultats bibliographiques il faut connaitre les protocoles utiliss et tenir compte de ces derniers dans l exploitation des Rsultats. Les caractristiques mcaniques des tissus osseux et des tissus mous composants le rachis, elles manent de plusieurs auteurs et elles nous permettent de situer mcaniquement les diffrents tissus de la colonne les uns par rapport aux autres. Les amplitudes de mobilit du systme polyarticul. Les rsultats exposs sont reprsentatifs du comportement cinmatique naturel de la colonne,ils nous renseignent Sur les valeurs des amplitudes des principaux mouvements.ces rsultats mettent en vidence la similitude entre les amplitudes de mobilit intervertbrale in vivo et les amplitudes de mobilit intervertbrale in vitro.

CHAPITRE III Analyse descriptive et comparative des paramtres biomcaniques et leurs evaluations

CHAPITRE IIIAnalyse descriptive et comparative des paramtres biomcaniques et leurs evaluations

1.INTRODUCTION Dans ce travail de recherche, nous avons compar les diffrents analyses En effet en biomcanique de la gurison osseuse, il est bien connu que dans un couple de matriaux destins fonctionner en harmonie (par exemple los et limplant) les efforts transitent essentiellement sur le matriau le plus rigide entranant une dcharge du matriau le moins rigide et finalement une sollicitation de lancrage. la comprhension du comportement mcanique de la colonne l'un des objectifs de la biomcanique rachidienne . Quel doit tre la rigidit de ce matriel . Comment fixer le matriel sur le rachis . Quelles doivent tre les formes et dimensions de ce matriel Sont les principales questions auxquelles la biomcanique tente d'apporter.

2.Quel doit tre la rigidit de ce matriel Rigidit axiale des segments lombaires humains de mouvement, la dpendance de force par M. Rostedta '*, L. Ekstrma, H. Bromanb, T. Hansson . La rigidit a t calcule partir de la frquence de rsonance et de la charge. Un modle non linaire simple a t adapt aux donnes et un rapport linaire a t trouv entre la rigidit carre et la force. Le composant non linaire dans le modle a fortement affect la rigidit dans la marge choisie de charge. Mesures de dformation axiale dues au chargement ( Dieen et autres, 1993 ; Kulak et autres, 1975, 1976) ont t excuts in vitro comme in vivo afin d'tablir la relation entre la force et la dformation. Rigidit gnralement dfinie car les possibilits d'une structure pour rsister la charge, sont l'un des paramtres qui a t dtermin dans un certain nombre d

Documents

Biomecanique Des Articulations Inter Vertebra Les