Caractérisation des propriétés mécaniques des disques intervertébraux et de leurs relations avec l'imagerie quantitative par résonance magnétique

Les pathologies du disque intervertébral étant un problème de santé majeur dans les pays occidentaux, établir des diagnostics précoces par des outils non invasifs est nécessaire. Les premiers signes de dégénérescence s'accompagnent d'un changement du comportement mécanique des disques intervertébraux qui pourrait être détecté par l'imagerie par résonance magnétique (IRM) quantitative. Afin d'estimer les changements mécaniques précoces du disque intervertébral, il est indispensable d'établir de fortes corrélations entre les propriétés mécaniques et les paramètres IRM. Notre étude se base sur l'hypothèse que l'IRM est sensible aux propriétés mécaniques du disque et que chacune des données mécaniques du disque intervertébral peut enfin être reliée à une combinaison de paramètres IRM. Pour réaliser les corrélations, les propriétés mécaniques doivent être définies. Or, dans la littérature, les caractéristiques mécaniques sont sujettes à des variations à cause des protocoles utilisés principalement pour la compression non confinée. À cause de l'absence d'études sur le sujet, la première partie du projet a consisté à définir quel protocole mécanique était le plus fiable, et le plus pertinent pour déterminer les propriétés mécaniques de l'annulus fibrosus et du nucléus pulposus. Pour mener à bien cette étude, des disques caudaux bovins ont été testés et des modèles mathématiques (viscoélastique, BPVE) ont été adaptés au type de données expérimentales. Il en résulte que l'annulus et le nucléus doivent être testés selon deux protocoles différents et que l'application d'une précontrainte et d'un gonflement libre avant le test fournit de meilleures données expérimentales. L'application de la précontrainte et le gonflement du tissu permettent de se rapprocher des conditions physiologiques du disque lors du test mécanique. Dans la littérature, les corrélations entre propriétés mécaniques et paramètres IRM sont modérées, ce qui justifie la réalisation d'une nouvelle étude prenant en considération plus de paramètres mécaniques et des régressions multiples avec les paramètres IRM pour une meilleure compréhension des relations entre le comportement mécanique du disque et l'imagerie. Pour cette étude, des disques intervertébraux ont été extraits des queues de bovins puis digérés ex-vivo par la trypsine. Trois types de digestion ont été réalisés avec des concentrations et des durées différentes, et un groupe in-situ était conservé comme groupe témoin. Ensuite, l'annulus et le nucléus de chaque disque ont été testés par un ensemble de tests mécaniques (compression non

Abstract

Intervertebral disc pathologies are a major health problem in occidental countries and thus the use of early non-invasive diagnostic tool is necessary. The first signs of intervertebral discs (IVD) degeneration is a change in their mechanical behavior and this can be detected by quantitative magnetic resonance imaging (MRI). To assess the early mechanical changes in the IVD, it is essential to establish strong correlations between mechanical properties and MRI parameters. The hypothesis of our study is that MRI parameters are sensitive to changes in IVD mechanical properties and that each mechanical parameter will be strongly correlated to a set of MRI parameters. To investigate correlations between the two parameters, mechanical properties need to be defined; however, several reports have shown that mechanical properties vary accordingly to the protocols used principally in unconfined compression. Therefore, the first part of this project consisted in defining the most reliable and the most relevant protocol to assess the mechanical properties of the annulus fibrosus and the nucleus pulposus. To this aim, caudal bovine discs were tested and mathematical models (viscoelastic, BPVE) were suited to the experimental data. The results showed that annulus and nucleus should not be tested with the same protocol, and the best experimental data were obtained with a pre-loading and a swelling of the sample. The pre-load and the swelling represent the closer physiological conditions of the disc during the mechanical test. In the literature, mechanical properties correlate moderately to MRI parameters, therefore there is a need for studying more mechanical parameters and multi-linear regression with MRI parameters for a better understanding of the relationships between the mechanical and MRI properties of the disc. Isolated discs were digested by trypsin in an ex-vivo condition. Discs digestion was performed by three different ways with varying trypsin concentrations and time of digestion, and an in-situ group was used as a control. Then, the annulus and the nucleus for each disc were subjected to a set of mechanical tests (unconfined, confined, and direct measure of permeability) associated with the MRI and biochemical assays (proteoglycan content). The novelty of the study is that the direct permeability measurement is related to MRI acquisitions of the intervertebral discs. MRI parameters used were the relaxation times (T1, T2, T2*), the magnetization transfer ratio (MTR) and the diffusion (FA and ADC) and the biochemical assays