Conception d'une chambre de culture et de sollicitation permettant l'imagerie par résonance magnétique du disque intervertébral isolé

Le disque intervertébral cristallise de nombreuses pathologies dans le monde occidental. Il est une des sources principales de douleurs chroniques. Établir un diagnostic précoce, non invasif, est une nécessité. La dégénérescence du disque s'accompagne d'un changement, pouvant être radical, de ses propriétés mécaniques. Ce changement, s'il est possible d'établir des cartes d'évolutions du disque, pourrait être détecté par l'imagerie par résonance magnétique quantitative (IRMq). Pour ce faire, il est important d'aborder deux problèmes principaux, le premier, non étudié ici, est l'amélioration du séquençage IRMq pour obtenir des séquences plus courtes, le second est la création d'atlas de dégénérescence. Notre étude, basée sur la possibilité de culture du disque intervertébral, consiste en la création d'une chambre de culture accompagnée d'un système de sollicitation mécanique du disque. Ces deux parties vont permettre, dans un second temps, de solliciter le disque jusqu'à dégénérescence tout en l'imageant, permettant ainsi de créer un atlas de son évolution. Pour réaliser cela, il est important de pouvoir cultiver le disque pendant deux à seize semaines. Les principaux systèmes sont très complexes, trop pour une utilisation dans un système IRM. Cette étude a été précédée de deux études complémentaires. In-vivo le disque est soumis à un chargement complexe, toujours en compression. In-vitro, le disque est le plus souvent soumis à une compression très légère pour éviter son gonflement. Ces deux caractéristiques ne sont pas comparables, ni compatibles. Une première étude sur le signal IRMq des disques comprimés a donc été réalisée. Une seconde étude, sur le signal IRMq des disques digérés par une enzyme a aussi été réalisée. Ces deux études ont consisté en l'acquisition des temps de relaxation (T1, T2), du transfert d'aimantation (MTR) et de la diffusion (FA et ADC) sur des disques intervertébraux isolés, soit soumis à de la compression, soit à de l'hydratation, soit à de la digestion par la trypsine. Les mesures ont ensuite été traitées de manière semi-automatisée pour limiter l'impact de la reproductibilité humaine. Cette recherche fondamentale a permis de mettre en lumière l'insensibilité de l'IRMq à la compression du disque, ainsi que le non changement des temps de relaxation lors de la digestion du tissu contrairement à la seule hydratation. Un concept de chambre de culture et de sollicitation mécanique a ensuite été proposé.

Abstract

The intervertebral discs are the focal point of numerous pathologies in the western world. It is one of the main sources of chronic pain. Being able to have a practical diagnostic tool, non invasive, is now a necessity. The degenerescence of the tissue induce a change in the mechanical properties. Theses changes can be detected using quantitative magnetic resonance imaging and mapping of the degenerescence path into the tissue. To address this problem, it is crucial to look into two primary problems; first, non studied here, is the qMRI sequences, in order to have less time consuming sequences, the second is the possibility to create the cartographies of degenerescence. Our study, based on the possibility of culture of the IVD, is the creation of a culture chamber alongside with a mechanical mean to degenerate the cultured tissue. In order to asses all the degeneration process, it is important to be able to cultivate the disc for up to ten weeks. All the current means to cultivate a disc are way too complex to be able to be adapted to MRI imaging systems. This current study was preceded by two others. In-vivo the disc is undergoing a complex mechanical loading, always in compression. In-vitro, the discs is slightly compressed to avoid bulging. This two characteristics are neither compatibles nor comparable. A first study on the qMRI signal of compressed discs was done to assess the changes. A second qMRI study was done on the enzymatically (trypsin) digested IVD. These two studies assessed the relaxation times (T1, T2), magnetization transfer ration (MTR) and diffusion imaging (FA, ADC) on isolated IVDs. All data were semi-automatically processed to reduce the human intervention on the process to bare minimum. This fundamental research was able to show the non sensibility of qMRI to the compressed state of the IVD from 0% to 40% on isolated IVD. Also the trypsin effect on the IVD was discovered to be negligible on T1 & T2 but not on diffusion imaging. A primary conception of a solicitation & culture chamber was done in order to cultivate tissue up to, at least, 14 days with complex mechanical loading applied on the IVD. This loading will be applied using a robotic arm with the possibility to replicate a physiological loading on the disc. This chamber permits as well the MRI imaging of the tissue when subjected to mechanical loadings.