Comportement mécanique des unités fonctionnelles : T3/T4, T7/T8 et T12/L1 saines et lésées du rachis humain

La présente étude avait pour but d'étudier le comportement mécanique des unités fonctionnelles T3/T4, T7/T8 et T12/L1 de la région thoracique et en particulier le rôle mécanique des facettes et capsules articulaires et celui des ligaments postérieurs suivants: jaune, interépineux et surépineux. Cette étude devait aussi déterminer l'influence du pré-chargement sur la mécanique des unités fonctionnelles thoraciques. Finalement, une technique d'incorporation des résultats de cette étude dans un modèle par éléments finis d'une unité fonctionnelle devait être élaborée. Dix-sept unités fonctionnelles furent prélevées sur 8 rachis humains (T3/T4(6), T7/T8(5) et T12/L1(6)) et étudiées à l'aide d'un dispositif expérimental (2TM-Lavaste et co11.1990) pour déterminer leur comportement mécanique. Six types d'efforts furent imposés: flexion, extension, inclinaison latérale gauche et droite, torsion droite et gauche. Ces efforts ont été imposés sur: 1) l'unité intacte, 2) l'unité sans facettes ni capsules articulaires et 3) sur l'unité avec disque intervertébral seulement (ligaments longitudinaux inclus) avec un couple maximal de 5 Nm pour les unités T3/T4 et 8 Nm pour les unités T7/T8 et T12/L1. Les unités démontrent un comportement mécanique nonlinéaire: bi-linéaire pour les unités T3/T4 et T7/T8 et quasi-linéaire pour T12/L1. La rigidité croît du haut vers le bas thoracique. L'unité T12/L1 oppose la plus grande résistance au mouvement de tout le rachis. La rigidité initiale (Kᵢ) varie entre 1,0 et 4,0 Nm/dg pour tous les efforts à tous les niveaux sauf en torsion à T12/L1 (Kᵢ=10,5 Nm/dg). La rigidité finale (Kf) est de l'ordre de 1,5 à 3 fois la rigidité initiale (Kᵢ) sauf pour la torsion en T12/L1 où Kᵢ≈Kf. La suppression des facettes articulaires et des éléments postérieurs n'affecte pas la réponse mécanique en inclinaison latérale pour les trois types d'unités. Les éléments postérieurs ont un effet mécanique non négligeable en flexion, extension pour T3/T4 et T12/L1 et en torsion pour le haut thoracique. La capsule articulaire joue un rôle mécanique en T3/T4 pour résister à un effort de flexion et de torsion. Cependant, au niveau de T12/L1, en plus de la capsule, les facettes articulaires contribuent aussi à la résistance à la torsion. L'imposition d'un préchargement de 100 N augmente légèrement la mobilité pour les efforts d'inclinaison latérale et extension mais n'a pas d'effet important sur les autres sollicitations. Une technique simple d'incorporation des résultats de cette étude dans un modèle par éléments finis d'une unité fonctionnelle repose sur l'utilisation d'une poutre équivalente pour le disque et de ressorts linéaires pour les capsules articulaires et les ligaments rachidiens. Cette étude contribue à préciser le comportement des unités fonctionnelles dans la région thoracique en plus de fournir des données mécaniques utiles pour la confection d'un modèle par éléments finis du rachis pour les études étiologiques et cliniques de la scoliose.

Abstract

The purpose of this study is to find the mechanical properties of the thoracic functional unit of the human spine in order to use them in a mechanical model of the human spine structure. Seventeen thoracic functional units from eight fresh cadaver spines (T3/T4(6), T7/T8(5) and T12/L1(6)) were loaded in a material testing machine (2TM-Lavaste et co11.1990) to determine their mechanical behavior. Six different loads were applied: flexion, extension, left lateral bending, right lateral bending, right and left torsion. All loading cases were applied: 1) on the complete functional unit, 2) on the functional unit without articular joint and 3) on reduced functional unit. The torque magnitude applied on level T3/T4 reached 5 Nm and 8 Nm for levels T7/T8 and T12/L1. Initial and final stiffness properties were calculated from the load-displacement curves. Couplings effects were also measured. The mechanical response was non-linear at T3/T4 and T7/T8 and almost linear at T12/L1. There is a significant increase of stiffness from higher to lower thoracic level. In general, T12/L1 has the greatest resistance to movement of all the units in the spine. For the intact functional unit the results showed that initial stiffness (IQ varies between 1,0 and 4,0 N • m/dg for all types of load at each level except for torsion load at T12/L1 (Kᵢ=10,5 N • m/dg). Final stiffness (Kf) is almost 1,5 to 3 times the value of the initial stiffness except for torsion at level T12/L1, Kᵢ≈Kf, (quasi-linear response). The removal of articular facets and posterior elements (flavum, interspinous and supraspinous ligament) did not affect the mechanical response in lateral bending for all three levels. The posterior elements have an important mechanical role in flexion and extension at level T3/T4 and T12/L1, and also in torsion at T3/T4. The capsul plays a mechanical role at T3/T4 in flexion and torsion. At T12/L1 besides the capsul, the facets contribute to resistance of a torsional load. A preload of 100 N affects lightly the mechanical response for each level studied in lateral bending and extension only, where an increase of range of motion was observed. A modeling technic for a functional unit should use an equivalent beam for the intervertebral disc and a spring for each of the articular capsul and ligaments. These data will be used as preliminary input in a finite element model to achieve a better comprehension of the thoracic fonctional unit behavior.