Étude biomécanique des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives : influence des propriétés ligamentaires

Le rachis est une structure ostéo-disco-ligamentaire complexe jouant un rôle majeur dans la stabilité et la mobilité du corps humain. Dans certaines conditions, des blessures traumatiques ou de fatigue peuvent survenir. Ces blessures peuvent être bénignes, à l'origine de douleurs, invalidantes ou encore mortelles. Les blessures rachidiennes traumatiques incluent des fractures osseuses, des lésions ligamentaires et du disque intervertébral ainsi que des atteintes de la moelle épinière et des racines nerveuses. Les causes principales sont les accidents de véhicules, les chutes à faible ou haute énergie et la pratique sportive. Chaque année, plus de 700 000 nouveaux traumas rachidiens sont comptabilisés au niveau mondial. Les blessures de fatigue, résultant d'une sur-sollicitation des structures vertébrales, sont fréquentes dans le domaine sportif. La spondylolyse est la blessure la plus commune parmi les blessures de fatigue dues au sport, notamment chez les adolescents. Dans ce cas, le rôle des chargements dynamiques, liés à la pratique sportive, est supposé prédominant dans l'étiologie de la blessure. Qu'ils s'agissent de blessures traumatiques ou de fatigue, des facteurs extrinsèques (type, direction et vitesse de chargement) et intrinsèques (morphologie, propriétés mécaniques et biologiques des structures vertébrales, ainsi que la posture) peuvent expliquer l'étiopathogénèse, les mécanismes, les patrons de blessures et les risques de progression. Les facteurs extrinsèques définissent les conditions extérieures; leur étude permet donc de définir les conditions à risque, à éviter et/ou limiter. Les facteurs intrinsèques, propres au sujet, sont conditionnés par de nombreux facteurs biologiques et environnementaux (l'âge, le sexe, l'ethnie); leur étude permet de tenir compte de la variabilité humaine pour vérifier la généralisation des conditions à risque ou, à l'inverse, spécifier les recommandations pour une population donnée, voire un individu. Les études portant sur les risques de blessures du rachis lombaire se sont majoritairement intéressées à des mécanismes en compression et à des sollicitations quasi-statiques, laissant des lacunes dans la compréhension des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives. Particulièrement, à l'instar des ligaments cervicaux, peu de travaux ont étudié le comportement des ligaments lombaires en condition dynamique. Cela limite les connaissances des mécanismes de rupture ligamentaire et l'exploitation des modèles pour l'étude des lésions traumatiques. De plus, les conditions traumatiques générant une flexion du rachis lombaire sont peu étudiées. Ces conditions sollicitent les éléments postérieurs du rachis et peuvent, en cas de déplacement et/ou rupture du complexe ligamentaire postérieur et de dislocation, avoir des conséquences cliniques critiques. Le manque de critères lésionnels du rachis lombaire soumis à des chargements complexes limite le développement et l'évaluation de dispositifs ou mesures de sécurité et la compréhension des mécanismes lésionnels. Enfin, l'identification des pathomécanismes de la spondylolyse est incomplète car les études réalisées ne prennent pas en compte la morphologie et la posture des patients et étudient des mouvements quasi-statiques isolés et de faible amplitude. Pour pallier ces limites, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes de blessures du rachis lombaire dans des conditions traumatiques et sportives en tenant compte des facteurs intrinsèques (posture, propriétés mécaniques des ligaments) et extrinsèques (conditions de chargement). Dans cette thèse, les trois hypothèses de recherche suivantes ont été testées : H1 : Le taux de chargement et la présence de dégénérescence rachidienne influencent le comportement mécanique (raideur) et les mécanismes à la base des lésions des ligaments (déplacement et force à la rupture, profil de rupture) du rachis lombaire et thoracique. H2 : La variabilité (inter et intra-individu) des propriétés mécaniques des ligaments influence la mobilité (ROM) et la vulnérabilité (contraintes internes) du rachis en conditions traumatiques et sportives. H3 : Les facteurs liés à la mise en charge du rachis (direction, amplitude) et la posture du patient influencent le risque de spondylolyse (distribution de contraintes dans le pars) chez les adolescents sportifs. Pour tester ces hypothèses, la thèse comprend un volet expérimental et un volet numérique. Le volet expérimental décrit la caractérisation des ligaments du rachis thoracique et lombaire humain en traction uni-axiale. Le volet numérique porte sur l'analyse par éléments finis des pathomécanismes du rachis lombaire. Pour cela, le modèle SM2S, Spine Model for Safety and Surgery, développé conjointement par le laboratoire de Biomécanique Appliquée (Université Aix-Marseille et IFSTTAR), Polytechnique Montréal et l'École de technologie supérieure a été exploité. Ce modèle détaillé, tant au niveau de la géométrie que des propriétés mécaniques, permet l'étude des lésions du rachis en condition dynamique. Pour tester la première hypothèse, 45 ligaments rachidiens (14 ligaments longitudinaux antérieurs, ALL ; 20 ligaments longitudinaux postérieurs, PLL ; 9 ligaments jaunes, LF ; et 2 complexes comprenant le ligament inter-épineux et supra-épineux, ISL-SSL) ont été prélevés avec les extrémités osseuses formant l'enthèse sur six sujets (4 hommes et 2 femmes, [76-96] ans) au Laboratoire de biomécanique appliquée de l'Université Aix-Marseille. Avant les essais, les échantillons ont été scannés à l'aide d'un CT-scan (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) pour mesurer la longueur initiale des ligaments et évaluer la présence de becs ostéophytiques et les extrémités osseuses ont été mises en résine. Un protocole d'essai, comprenant une phase de pré-conditionement, deux cycles de traction uni-axiale en dynamique lente (0.005 m/s) jusqu'à 15% de déformation et une traction uni-axiale en dynamique rapide (1 m/s ou 0.5 m/s) jusqu'à la rupture, a été réalisé à l'aide d'un vérin hydraulique commandé en déplacement. 45 courbes force-déplacement ont été obtenues pour les cycles de traction en dynamique lente et 17 pour les tractions en dynamique rapide. Les raideurs des ligaments ALL, PLL et LF mesurées lors des tractions en dynamique rapide étaient respectivement 1.9, 5.7 et 4.4 fois plus élevées que lors des tractions en dynamique lente. Pour un même sujet, l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 4 (pont ossifiant joignant les deux vertèbres) avait une raideur respectivement 3.9 fois et 6.3 fois plus élevée en condition dynamique lente et rapide par rapport à l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 2 (protrusion vertébrale projetée verticalement). Ces échantillons présentaient le même mécanisme de rupture (délamination + avulsion osseuse). La force à la rupture et la déformation à la rupture mesurées pour l'échantillon de grade 4 étaient respectivement 1.6 et 5 fois moins élevées par rapport à l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 2. Ces résultats confirment l'augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire en condition dynamique rapide et suggère une diminution des propriétés à la rupture en présence de becs ostéophytiques lorsque le grade de dégénérescence augmente. En conditions traumatiques, l'exploitation du modèle SM2S a permis de mettre en évidence l'effet de la vitesse d'impact, pouvant survenir lors d'un choc frontal, sur les mécanismes de blessures et sur le patron de blessure en résultant. Trois vitesses d'impact (i.e. 2.7, 5 et 10 m/s) ont été simulées sur un segment L1-L3 du modèle SM2S afin de représenter des conditions traumatiques générant une combinaison d'effort en cisaillement et de moment de flexion. Pour chaque vitesse d'impact, 27 jeux de propriétés ligamentaires ont été testés. Pour les vitesses d'impact les plus faibles, l'initiation de la blessure se produisaient en compression dans la partie antérieure du corps vertébral. A l'inverse, l'impact à haute vitesse causait une blessure en distraction pure avec des efforts en compression faible. Dans ce cas, l'étendue de rupture dans le corps vertébral était moindre (718 mm³) mais le déplacement antérieur de la vertèbre L2 (7.72 mm) et la fréquence de fracture des facettes (16/27) étaient plus élevés que pour la vitesse la plus faible (1140 mm³, 2.09 mm et 2/27 respectivement). Les propriétés des ligaments n'impactaient pas l'initiation de la blessure mais une augmentation de la rigidité du rachis était associée à une augmentation du risque de fractures des facettes. Pour des chargements dynamiques combinés, l'analyse par éléments finis nous a permis de mettre en évidence la dangerosité des mouvements de flexion associés à des efforts en compression. En particulier, les efforts en compression dynamique étaient le facteur le plus important sur les contraintes et efforts internes. L'ajout d'une compression dynamique augmentait de 8.5, 12.4, 1.6 et 13.2 les forces en cisaillement dans le disque L5-S1, les forces de contact au facettes L5-S1, la contrainte maximale dans le pars et le volume d'os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture. De plus, les résultats ont montré une influence des paramètres sacro-pelviens sur le niveau de contraintes dans le pars. La contrainte maximale et le volume d'os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture étaient respectivement 17% et 2.5 fois plus élevés pour le cas ayant la pente sacrée la plus élevée (59°) comparativement au cas présentant une pente sacrée de 32°. Cela suggère une augmentation du risque de spondylolyse pour les patients présentant une pente sacrée élevée pour une même activité et corrobore les observations cliniques. Ce projet doctoral a mis en évidence l'influence des propriétés mécaniques des ligaments et des paramètres liés à la posture sur les seuils et les patrons de blessures du rachis lombaire. Les résultats expérimentaux confirment une augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire pour des taux de chargement élevé. De plus, le déplacement et la force à la rupture en traction tendent à diminuer avec le grade de dégénérescence. Ces résultats constituent, en outre, une base pour le développement et la vérification de modèles spécifiques représentant une population âgée pour l'étude des traumatismes rachidiens. Pour cela, des résultats supplémentaires en traction uni-axiale ainsi que des essais complémentaires en mobilité seraient nécessaires. En condition traumatique, le modèle permet de prédire le patron de rupture, notamment la rupture du complexe ligamentaire postérieur et, est en ce sens, un outil de prévention et d'aide au diagnostic utile pour les traumas rachidiens. La vitesse d'impact modifie le profil de rupture observée et l'augmentation de la raideur des ligaments augmente le risque de fracture des facettes. Pour faire suite à ce projet, différentes conditions de chargement pourraient être testées pour trois modèles présentant des flexibilités différentes. Pour l'étude de la spondylolyse, les mouvements combinés de flexion et de compression dynamiques provoquent des contraintes élevés dans le pars. De plus, la posture du patient modifie les efforts en cisaillement à la jonction lombo-sacrée et doit être prise en compte dans l'évaluation de la dangerosité des mouvements. L'étude de chargements personnalisés et spécifiques à certains sports permettrait de guider les recommandations de sécurité spécifiques à ces sports.

Abstract

The spine is an osteo-disco-ligamentous structure playing a major role in the human body's stability and mobility. In some conditions, traumatic or stress injuries may happen. These injuries may be benign, painful, disabling, or even deadly. Traumatic injuries include bone fractures, ligamentous or intervertebral disc injuries, and/or damage to neurologic structures (spinal cord and nerve roots). These injuries mainly result from low-energy falls or high-energy trauma, particularly traffic (26.5%) or sports accidents (5.2%), and high-energy falls (39%). Each year, more than 700,000 new traumatic injuries are diagnosed worldwide. Stress injuries result from overuse of spinal structures because of repetitive movements and sport practice is a common cause. The spondylolysis is the most common stress injuries due to sport activities, particularly in adolescents. The spinal dynamic loadings experienced when practicing sports are thought to be a predominant factor in the etiology of this injury. Extrinsic and intrinsic factors play a role in the etiology, pathomechanisms, injury pattern and risk of progression of traumatic and stress injuries. Extrinsic factors (type, direction and speed of loading) are relative to loading conditions and must be tested to define movements to avoid or to limit to prevent the risks of spinal injuries. Intrinsic factors (morphology, mechanical and biological properties of spinal components as well as the posture) are subject-dependent. These factors represent the human variability and are evaluated to define generalized preventive guidelines or, on the contrary, to establish safety guidelines for specific population or even specific individuals. Research on the lumbar injuries risk has mainly focused on compressive mechanisms and quasi-static loading conditions. This limits the understanding of the lumbar pathomechanisms in traumatic and sport-related conditions where the spine is submitted to complex dynamic loads. Particularly, conversely to cervical ligament, few studies described the mechanical behavior of the lumbar ligaments in dynamic conditions, limiting the understanding of ligamentous failure and the use of numerical models to study spinal lesions in this region. Moreover, traumatic conditions generating a flexion of the lumbar spine are poorly described and studied. These conditions mainly affect the posterior elements of the spine (articular facets and posterior ligamentous complex) and may lead to critical clinical outcomes in case of posterior ligamentous complex injuries and dislocation. In this context, more studies on the lumbar spine submitted to complex dynamic loading conditions are needed to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms and the development and evaluation of safety guidelines and devices. In order to address these limitations, the objective of this thesis was to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms in traumatic and sport-related conditions taking into account intrinsic (posture, ligament mechanical properties) and extrinsic factors (loading conditions). In this project, the three following research hypotheses were tested: H1: The strain rate and the presence of spinal degenerative process modify the mechanical behavior (stiffness) and the injury mechanisms (failure force and displacement, and injury pattern) of the thoracic and lumbar ligaments. H2: The ligament mechanical properties variability (inter and intra subject) modify the range of motion (ROM) and the vulnerability (internal stress, failure thresholds, failure pattern) of the spine in traumatic and sport-relative loading conditions H3: Extrinsic factors (loading direction and level) and patient posture affect the risk of spondylolysis (stress distribution in the pars) in adolescent athletes. To test these hypotheses, experiments on cadaveric ligaments and numerical simulations on a detailed finite element model of the spine were performed. The experimental part deals with the lumbar and thoracic ligament characterization under uni-axial dynamic tensile tests. The numerical part was performed to assess the pathomechanisms of the lumbar spine in traumatic and sport-related conditions. In this section, the SM2S model, Spine Model for Safety and Surgery, jointly developed by the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University, Polytechnique Montréal and École de technologie supérieure was used. This finite element model includes a detailed geometric and material behavior description of the spinal component and was developed to study spinal injuries in dynamic conditions. To test the first research hypothesis, 45 spinal ligaments (14 anterior longitudinal ligaments, ALL ; 20 posterior longitudinal ligaments, PLL, 9 ligamentum flavum, LF ; 2 interspinous and supraspinous ligamentous complex, ISL-SSL) with bony extremities that formed the entheses were harvested from 6 cadaveric subjects (4 men, 2 women, [76-96] years) at the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University. Before testing, samples were scanned with a CT-scanner (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) to measure the initial length of ligaments (distance between superior and inferior entheses) and to evaluate the presence of osteophytes. After imaging, the bony ends were put into resin to provide a mean of fixation. A test protocol was performed with a servo-hydraulic test system. The protocol included a preconditioning, 2 cycles of uni-axial tensile test at a slow dynamic displacement rate (0.005 m/s) until 15% of strain and one uni-axial tensile test at a high dynamic displacement rate (0.5 – 1 m/s) up to failure. Forty-five force-displacement curves were obtained for uni-axial tensile tests at the slow dynamic displacement rate and 17 for tensile tests at the high dynamic displacement rate. Stiffness of ALL, PLL and LF were 1.9, 5.7 and 4.4 times higher at the high dynamic displacement rate compared to the slow dynamic one. For the same subject, ALL specimen with a grade 4 osteophyte (i.e. adjacent vertebrae were fused together by a bony bridge) had a stiffness 3.9 and 6.3 times higher at high and slow dynamic displacement rate respectively compared to ALL specimen with a grade 2 osteophyte (bony protrusion visible at the margins of the endplates). The pattern of failure was a combination of delamination and bony avulsion for both of these specimens. The force and displacement at failure measured for the specimen with a grade 4 osteophyte were 1.6 and 5 times lower respectively compared to the ones measured for the specimen with a grade 2 osteophyte. These results confirm the increase of the stiffness of the thoracic and lumbar ligaments with an increase of the strain rate and suggest a decrease of the failure properties for an increasing degenerated state under uni-axial tensile test. Under dynamic conditions, the numerical simulations highlighted the effect of the impact velocity, which may happen during frontal impacts, on the injury mechanisms and pattern. A L1-L3 segment was subjected to three different impact velocities (i.e. 2.7, 5, 10 m/s) to evaluate the lumbar behavior under complex loading conditions combining flexion and shear. For each impact velocity, 27 sets of ligament properties were implemented and tested. For low and medium impact velocities, initial osseous injury happened under compressive forces in the anterior column whereas high dynamic impact caused a pure distraction injury with very low compressive stresses in the segment. Less volume of ruptured bone, higher anterior displacement and higher occurrence of facet fracture were observed for high impact velocity (718 mm³, 7.72 mm and 16/27) compared to the ones measured for the lowest impact velocities (1140 mm³, 2.09 mm and 2/27 respectively). The ligament properties did not influence the injury initiation location but an increase of the spine stiffness was associated with a higher occurrence of facet fracture. The finite element analysis highlighted the high level of stress in the pars for dynamic flexion combined with compression. For all movements (flexion, extension with or without inflexion and rotation), additional dynamic compressive forces led to 8.5, 12.4, 1.6 and 13.2 times higher shear forces in the L5-S1 intervertebral disc, L5-S1 facet contact force, maximal stress in the pars and volume of stressed bone (>75% of the failure stress). Moreover, sacro-pelvic parameters influenced the level of stress in the pars. The maximal stress and the volume of stressed bone were 17% and 2.5 times higher for the case with the higher SS (59°) compared to the case with the lowest one (32°). These results suggest an increase of the risk of spondylolysis for patient presenting a high sacral slope and pelvic incidence and corroborate clinical observations. This project highlighted the influence of the ligament mechanical properties and postural parameters on the lumbar injury threshold, mechanisms and patterns. The experimental results confirm the increase of stiffness for thoracic and lumbar ligaments at high displacement rates, as it was previously shown for cervical ligaments. Moreover, force and displacement at failure tend to decrease with the increasing grade of osteophytes. These results may be used for the development and verification of a specific model for aging population to study spinal trauma. For this purpose, additional results under uni-axial tensile test and complementary results under mobility tests would be needed. In traumatic conditions, the model predicted the bone fracture and the failure of the posterior ligamentous complex. These predictions were valuable to help injury prevention and clinical management. The impact velocities modified the injury initiation and pattern and the increase of the spinal stiffness led to higher occurrence of facet fracture. Further finite element analyses may be done to test different loading scenarios for three models according to the global spine stiffness. Combined movements of flexion and dynamic compression led to high stresses in the pars. Moreover, the patient-specific posture modifies the shear at the L5-S1 junction and the stresses in the pars and has to be considered in the evaluation of the risk of spondylolysis. Further finite element studies considering specific and personalized loading may be performed to enforce safety guidelines for particular sports.