Expérimentation et modélisation détaillée de la colonne vertébrale pour étudier le rôle de facteurs anatomiques et biomécaniques sur les traumatismes rachidiens

Les traumatismes à la colonne vertébrale (fractures osseuses, déchirures ligamentaires, hernies discales post-traumatiques, etc.) sont des lésions du système ostéo-disco-ligamentaire qui portent souvent atteintes à l'intégrité physique des victimes sur une longue durée et engendrent un fardeau économique énorme pour les victimes et les services de santé. Les chutes accidentelles et les accidents de la voie publique en sont les principales causes, étant responsables de plus de 85% des cas. Dans de tels accidents, la colonne vertébrale peut subir des efforts particulièrement élevés dont l'intensité et la distribution dépendent de facteurs anatomiques, qui sont propres à l'anatomie et difficilement modifiables (taille et forme des structures vertébrales, poids, âge et vieillissement, densité osseuse, architecture osseuse, etc.) et de facteurs biomécaniques, qui sont propres aux conditions dans lesquelles l'accident se produit (posture adoptée, sévérité et direction de l'impact, forces musculaires, etc.). Contrairement au segment cervical qui, au fil des ans, s'est mérité une attention toute particulière, la réponse biomécanique des segments lombaires et thoraciques (de T1 au sacrum) en situation accidentologique reste mal comprise. De fait, l'influence de facteurs anatomiques et biomécaniques tels que la présence d'ostéophytes vertébraux (liée au vieillissement), le taux de chargement (lié à la sévérité de l'impact) et le profil sagittal rachidien (lié à la posture adoptée et défini par l'orientation et la forme de la colonne vertébrale dans le plan sagittal) sur les traumatismes de la colonne vertébrale T1-sacrum n'a pas été étudiée de façon exhaustive. L'objectif général de ce projet doctoral était d'étudier l'influence de ces facteurs sur les traumatismes de la colonne vertébrale en situation accidentologique. Trois questions de recherche ont été étudiées : Q1 : Quelle est l'influence des ostéophytes vertébraux sur le comportement biomécanique à la rupture de la colonne vertébrale ainsi que sur la typologie, le patron, la localisation et la prédiction des fractures vertébrales en compression dynamique? Q2 : Quelle est l'influence du taux de chargement dynamique sur les traumatismes de la colonne vertébrale subis en compression, flexion, extension et cisaillement?

Abstract

Spinal injuries such as vertebral fractures, ligament tears and disc herniations are lesions of the osteo-disco-ligamentous system that violate the physical integrity of victims over long periods of time. These injuries create a great economic burden for both the injured and health services. The major causes of spinal injuries, being responsible for more than 85% of cases, are falls from a height and road accidents. In such situations, the spine can withstand very high loads. The intensity and distribution depend on many anatomical factors, specific to the anatomy of a given spine and difficult to change (size and shape of the vertebral structures, weight, age and ageing, bone density, bone architecture, etc.), and biomechanical factors, mainly driven by the conditions in which the accident occurs (adopted posture, impact velocity and direction, muscular forces, etc.). Unlike the cervical spine, which over the years has garnered growing interest, the biomechanical behavior of the thoracic and lumbar spines (from the T1 vertebra to the sacrum) under traumatic events remains unclear. Consequently, the influence of factors such as the presence of vertebral osteophytes (related to ageing), the loading rate (related to the impact velocity) and the sagittal profile of the spine (related to the adopted posture and defined by the orientation and shape of the spine in the sagittal plane) have not been thoroughly investigated. The overall objective of this research project was to study the influence of these intrinsic and extrinsic biomechanical factors on spinal injuries. Three research questions were asked: Q1: What is the influence of vertebral osteophytes on failure parameters, type, pattern, location and risk prediction of vertebral fractures when the spine is submitted to dynamic compression? Q2: What is the influence of the loading rate on spinal injuries when the spine is submitted to dynamic compression, flexion, extension and shear? Q3: What is the influence of the sagittal profile of the spine on spinal injuries sustained in accidents that involve compression and flexion-distraction mechanisms? To answer these research questions, experiments on human cadaveric spines were performed and a detailed biomechanical model of the spine was refined, validated against experimental data, and exploited.