Fascia thoraco-lombaire : vers une meilleure compréhension de la biomécanique de la colonne vertébrale et de la locomotion humaine

Les travaux de recherche s'intéressant à la colonne vertébrale et sa biomécanique se sont multipliés au cours des 25 dernières années. Mais malgré tous les moyens mis pour la recherche dans ce domaine bon nombre de problématiques demeurent non résolues et les chercheurs comme les cliniciens font face à certaines impasses. Un exemple frappant concerne les cas de maux de dos qui ont atteint des proportions telles que cela est devenu un véritable problème de santé publique. D'autres pathologies liées au dos telles que la scoliose idiopathique par exemple sont encore à ce jour très mal comprises. On observe également cette problématique de manque de compréhension dans les études biomécaniques relatives à la locomotion. Ces dernières ne considèrent pas la colonne vertébrale malgré le fait que de nombreux éléments semblent confirmer la théorie selon laquelle cette dernière serait le moteur principal de la locomotion. Ces différents domaines cités en exemple nécessitent une bonne compréhension de la biomécanique de la colonne vertébrale. Or, les approches actuelles ne le permettent pas et montrent clairement leurs limites. Le besoin de nouvelles approches est donc plus que jamais une nécessité. Ce qu'il manque actuellement est une réelle compréhension des fonctions de la colonne vertébrale et ses composants. L'un de ses composants devant absolument être pris en compte est le fascia thoracolombaire (FTL). Cette structure complexe, composée de différentes couches de tissus aponévrotiques et collagéneux superposées, située dans la région lombaire du dos joue un rôle central dans la biomécanique de la colonne vertébrale. Tout l'enjeu est donc de comprendre pleinement la fonction de la colonne vertébrale en considérant également le FTL ce qui permettra d'étudier sa biomécanique du point de vue de sa fonction et non du point de vue d'une vision humaine potentiellement biaisée, fruit d'hypothèses erronées. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce projet de recherche était de déterminer si l'influence que le FTL a sur les fréquences propres de la colonne vertébrale est significative ou non, au moyen d'un modèle par éléments finis. Pour atteindre cet objectif la première étape du projet a été le développement d'un modèle numérique par élément finis de la partie lombaire de la colonne vertébrale. Pour la réalisation de cette étape un modèle passif validé de la partie lombaire L1-S1 de la colonne vertébrale a d'abord été reproduit puis les couches médiane et postérieure du FTL ont été ajoutées à celui-ci après une étude anatomique approfondie.

Abstract

Over the past 25 years, the amount of research studies focusing on the spine biomechanics has increased. Despite all the financial support provided in this area researchers and clinicians are still facing major challenges and unanswered questions. The ever-increasing prevalence of Low Back Pain in our societies is a great example of those issues. Other back-related pathologies like idiopathic scoliosis remain not well understood. Biomechanical studies of human locomotion also show poor understanding by neglecting important aspects. The spine is often forgotten in those locomotion studies that only focus on the legs. Yet there is concrete evidence in favor of the spinal engine theory, which states that locomotion is first achieved by motion of the spine, and that legs are only improvements allowing a more efficient locomotion. All the aforementioned areas of research have in common the fact that a complete understanding of the spine biomechanics is needed but the actual approaches have limits that clearly do not allow for proper understanding. In fact, what is really lacking is a real understanding of the spine's function as well as its surrounding components. One of those components that must be considered in the thoracolumbar fascia (TLF). This complex collagenous structure composed of several fascial and aponeurotic sheaths or layers located in the lumbar area of the back plays a huge role in the spine biomechanics. Hence, the challenge is to fully understand the function of both the spine and the TLF in order to study their biomechanics with the right approach. The objective of this research project was to determine if the influence of the TLF on the spine natural frequencies is significant by means of a finite-element model of the lumbar spine. In order to achieve this objective, the first step was to develop the finite-element model. A previously validated simplified finite-element model of the lumbar spine (L1-S1) was first reproduced and the middle and posterior layers of the TLF were then added according to the information found in the literature. Vertebrae were modelled as rigid discs. The intervertebral discs were modelled as nonlinear beams taking into account their properties and behavior as well as the ligaments' and facet joints'. The middle and posterior layers of the TLF were modelled by individual fibers with elastic isotropic properties inserting on the back and side of the vertebrae at the different lumbar levels and merging laterally in the lateral raphe. Tensioning of the TLF was achieved by applying a lateral tensile force on the lateral raphe as seen in reality.