Le rachis cervical est une structure anatomique essentielle pour le support et la mobilité de la tête ainsi que pour la protection de la moelle épinière. Les blessures en flexion-distraction sont des blessures principalement disco-ligamentaires qui affectent les structures postérieures du rachis et peuvent mener à la subluxation ou la dislocation des facettes articulaires. Elles sont parmi les plus fréquentes au rachis cervical et elles entraînent de forts risques de blessures médullaires. Cependant, le mécanisme lésionnel qui cause ces blessures est toujours débattu dans la littérature et peu d’études expérimentales ont été menées sur ces blessures. Aussi, peu d’informations existent sur la contribution des structures disco-ligamentaires postérieures sur la stabilité post-traumatique du rachis et sur l’ampleur de l’atteinte neurologique après des blessures en flexion-distraction. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’analyser l’influence du mécanisme lésionnel (conditions de chargement, cinématique des vertèbres, patron de blessures) sur l’instabilité (amplitude de mouvement, déplacements relatifs intervertébraux) et l’endommagement mécanique de la moelle épinière (compression de la moelle, contrainte de von Mises, déformations principales) lors de blessures en flexion-distraction. Cette thèse est donc divisée en deux volets : un volet sur le comportement traumatique du rachis cervical dans des blessures de type flexion-distraction et un volet sur le comportement post-traumatique du rachis cervical et de la moelle.
Pour répondre au premier sous-objectif (O1), soit d’étudier la cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact dynamique à l’arrière de la tête ainsi que les blessures subséquentes, un banc d’essai, composé d’un siège ajustable et d’un impacteur horizontal de 40 kg, a été développé. Ce banc a été exploité pour une étude expérimentale sur six sujets cadavériques masculins de 82 à 96 ans. Les sujets ont été impactés à l’arrière de la tête à des vitesses de 3,5 à 5,5 m/s avec une inclinaison postérieure de 0 à 25 degrés. L’impacteur était équipé d’une cellule de force triaxiale. Des accéléromètres étaient positionnés au sternum, au front et dans la bouche des sujets. Les essais ont été filmés par deux caméras hautes vitesses. Des vis ont été insérées dans les vertèbres cervicales et équipées de deux marqueurs permettant le suivi par stéréographie de leur position spatiale. Des marqueurs ont été placés sur la tête et l’épaule des sujets. Les blessures créées ont été déterminées par l’analyse d’images par tomodensitométrie des sujets et par dissection. Des courbes d’accélérations des sujets, de force de l’impact et de déplacement de la tête et des vertèbres ont été acquises. Tous les spécimens ont eu une blessure au rachis cervical. Les résultats de cette étude ont montré que le chargement en flexion-compression appliqué à la tête créait, tel que supposé, des blessures en flexion-distraction puisque quatre sujets ont eu ce type de blessure, dont deux avec une fracture de la facette articulaire. Les deux autres sujets ont eu une fracture de la vertèbre C2 accompagnée pour un sujet d’une subluxation au niveau C1-C2. Le niveau C6-C7 était le plus souvent touché et deux sujets avait des blessures à des niveaux intervertébraux non adjacents. La présence d’ostéophytes antérieurs a été reliée à une protection contre les blessures au rachis supérieur et au niveau intervertébral des ponts ostéophytiques. Cependant, des fractures apparaissaient aux niveaux adjacents aux ostéophytes. La présence d’ostéophytes affecterait donc le type et l’emplacement des blessures.
Le deuxième sous-objectif (O2), caractériser le mécanisme lésionnel en hyper-flexion et hyperflexion avec compression, a été accompli avec un modèle par éléments finis (MEF) de l’unité fonctionnelle C4-C5 extraite du modèle SM2S (Spine model for safety and surgery) développé par le groupe iLab Spine. Les propriétés matériaux des ligaments ont été définis par des courbes de contraintes et déformations non-linéaires tirées de la littérature. Des lois de rupture des ligaments et du disque intervertébral (DIV) basées sur la déformation maximale ont été ajoutées. Le modèle a été validé par rapport aux valeurs de forces et de moments à la rupture. Le modèle a ensuite été soumis à deux chargements jusqu’à la rupture : 1) flexion de 500 °/s puis 2) flexion de 500 °/s avec une compression de 0,2 m/s. Sous le chargement en flexion seul, les ligaments jaune (LJ) et interépineux (LIE) étaient les premiers rompus, suivi de la portion postérieure de l’anneaux fibreux, des ligaments supraépineux (LSE) et du ligament postérieur longitudinal (LPL). Sous le chargement en flexion-compression, la portion antérieure du DIV était la première structure lésée suivi de la portion postérieure du DIV. Ensuite, le LJ, le LIE et le LSE ont été rompus. Dans les deux cas, les ligaments capsulaires n’ont pas rompu ce qui suggère que des chargements différents sont nécessaires pour mener à leur blessure et à la subluxation ou la dislocation des facettes. Les résultats montrent aussi que le LPL est particulièrement résistant à la flexion et la flexion-compression.
L’atteinte du troisième sous-objectif (O3), mesurer la mobilité pré- et post-trauma sur sujets anatomiques complets après un impact dynamique à l’arrière de la tête, a été effectuée dans le cadre de la campagne expérimentale sur sujet anatomiques (O1). L’amplitude de rotation en flexion-extension de la tête et l’amplitude intervertébrale ont été mesurées avant et après l’impact sur quatre des sujets de la campagne en plaçant manuellement d’une position de rachis cervical neutre à une position maximale de flexion puis d’extension. Après l’impact, l’amplitude de rotation à la tête a augmentée de 35 à 75%. Les amplitudes de rotation en flexion-extension intervertébrales ont subi une augmentation de 44 à 151%. La mobilité globale ou intervertébrale initiale était plus faible pour les sujets avec des ostéophytes antérieurs. Les plus grandes augmentations d’amplitude de rotation intervertébrale correspondaient à des fractures de l’articulation des facettes ce qui souligne l’instabilité de ce type de blessure.
Le quatrième sous-objectif (O4) visait à quantifier la contribution des structures discoligamentaires postérieures à la stabilité spinale du rachis cervical en flexion. Pour ce faire, le MEF du rachis cervical SM2S (C2-T1) a d’abord été raffiné et calibré. Les propriétés matériaux des ligaments et des DIV ont été adaptés pour le segment cervical et le chargement quasi-statique. Ces propriétés ont ensuite été calibrées par rapport à la pression intradiscale et la rotation intervertébrale en flexion-extension sous un chargement en moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Ensuite, une blessure des ligaments postérieurs (LSE, LIE et LJ) et une rupture transversale progressive du DIV (1/3 de la longueur antéro-postérieure du DIV, 2/3 puis une rupture complète) a été modélisée à trois niveaux (C2-C3, C4-C5 et C6-C7). La rupture des ligaments postérieurs a eu peu d’impact à C2-C3, mais a augmenté l’amplitude de 77 et 191% à C4-C5 et C6-C7 respectivement. À l’opposé, la rupture complète du DIV a eu un impact important au niveau C2-C3. Elle a généré une augmentation de l’amplitude de rotation de 181% à C2-C3 et une subluxation des facettes à ce niveau pour seulement 51 degrés de flexion entre C2 et T1. Cette étude suggère que ce type de blessures disco-ligamentaires, même sans l’atteinte des capsules ligaments, peut entraîner une instabilité du rachis cervical.
Pour répondre au cinquième objectif (O5), caractériser l’endommagement de la moelle épinière pour des blessures en flexion-distraction, le modèle de moelle épinière tirée de SM2S a été remaillé en éléments de type brique et sa géométrie et ses propriétés matériaux ont été améliorés. Le modèle a ensuite été vérifié par rapport aux déplacements relatifs entre la moelle et le canal et aux déformations principales dans la moelle en flexion-extension. Quatre combinaisons de blessures ont été testées au niveau C4-C5, C5-C6 et C6-C7. Ces combinaisons visaient à quantifier l’effet protecteur des diverses structures disco-ligamentaires postérieurs et de représenter les blessures possibles lors de la flexion-distraction. D’abord, le LJ, le LIE et le LSE étaient systématiquement rompus. Les blessures investiguées incluaient la rupture transversale partielle ou complète du DIV, la rupture du LPL et la rupture des capsules ligamentaires. Après la modélisation des blessures, le modèle a été soumis à un moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Les déformations principales et la contrainte de von Mises dans la substance blanche et la substance grise ont été calculées ainsi que la compression latérale et antéro-postérieure de la moelle épinière. En extension, les blessures investiguées n’ont eu que peu d’impact sur la moelle épinière. En flexion, la rupture complète du DIV et de tous les ligaments postérieurs à l’exception du LPL est la situation qui a générée les plus grandes contraintes de von Mises (47 à 66 kPa), les plus grandes déformations principales p1 (0,32 à 0,41 dans la substance blanche) et p3 (-0,78 à -0,96 dans la substance blanche) et la plus importante compression de la moelle épinière (35 à 48% dans la direction antéro-postérieure). Les patrons de déformations dans la moelle ont montré que le mécanisme lésionnel pour ces types de blessures lors de flexion post-trauma était une compression importante de la partie antérieure de la substance blanche au niveau lésé combiné à une tension dans la partie postérieure de la moelle. Les ligaments capsulaires ont été identifiées comme les structures les plus importantes pour la protection de la moelle épinière en flexion post-trauma suivi du DIV.
Ce projet doctoral a mis en évidence le lien entre les patrons de blessures disco-ligamentaire et l’instabilité clinique. L’hypothèse que les blessures en flexion-distraction sont causées par des forces de flexion-compression appliquées à la tête a également été démontrée et des données nouvelles de cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact à l’arrière de la tête ont été recueillies. Les résultats obtenus ont permis d’apporter des recommandations cliniques pour le diagnostic et le soin des patients avec des blessures au rachis cervical. Les connaissances acquises sur les mécanismes lésionnels permettront de guider la conception et l’évaluation de dispositifs de protection du rachis. L’accomplissement de cette thèse a aussi mené à l’amélioration d’outils numériques et expérimentaux qui pourront être utilisés pour approfondir l’étude des blessures du rachis et des blessures médullaires.
| Date | 31 août 2021 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Yvan Petit (Directeur(-trice)), Pierre Jean Arnoux (Directeur(-trice)) & Éric Wagnac (Codirecteur(-trice)) |
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