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Étude biomécanique des traumatismes vertébro-médullaires du rachis humain

Fradet, Léo (2014). Étude biomécanique des traumatismes vertébro-médullaires du rachis humain. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les traumatismes du rachis incluent des fractures osseuses, des lésions discoligamentaires et des blessures médullaires. Ils impliquent un fort coût pour le système de santé, ainsi qu’une prise en charge (durée d’hospitalisation, atteinte de l’intégrité physique) lourdement handicapante pour leurs victimes. Les séquelles peuvent aller d’une déformation du profil sagittal à la tétraplégie. Leurs causes principales sont les accidents véhicules moteurs, les chutes et les accidents sportifs. Il existe de multiples mécanismes d’apparition des fractures vertébrales (compression, flexion-extension, cisaillement, torsion) et des blessures médullaires (contusion, traction, cisaillement), ce qui rend leur étude complexe. Malgré l’important investissement mis dans la recherche à ce sujet, des lacunes persistent dans la compréhension de ces traumatismes, qui ralentissent la progression des dispositifs de protection du rachis et le développement des techniques chirurgicales. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce doctorat est d’améliorer la compréhension fondamentale des mécanismes de fractures vertébrales et des blessures de la moelle épinière. Suite à l’identification des constats principaux présents dans la littérature et des lacunes de l’état des connaissances actuelles, deux hypothèses de recherche ont été posées.

H1. Il existe un lien entre la sollicitation mécanique traumatique et les cartographies cliniques des patrons de fractures rapportées dans la littérature.
H2. Lors d’une contusion médullaire le liquide céphalo-rachidien joue un rôle protecteur quantifiable et le comportement lésionnel dépend du niveau vertébral.

Cette thèse vise donc deux objectifs majeurs. Ainsi, la première concerne l’étude des causes mécaniques des différents patrons de fracture vertébrale, et la seconde l’étude des mécanismes d’apparition de la contusion médullaire. Dans chacune des deux parties, des méthodes d’imagerie, expérimentales ou numériques ont été mises en oeuvre pour (i)améliorer la définition de propriétés morphologiques ou mécaniques de tissus biologiques concernés; ou (ii) reproduire et caractériser les lésions vertébrales ou médullaires.

L’atteinte du premier objectif, à savoir l’établissement d’un lien entre la classification des différents patrons de fracture vertébrale et leur cause mécanique a nécessité de répondre à deux sous-objectifs de recherche.

1) Tout d’abord des protocoles expérimentaux ont été mis en place afin de décrire la répartition des propriétés mécaniques anisotropiques de l’os trabéculaire vertébral. La première étape a été de créer un modèle de prédiction de ces propriétés à partir de paramètres microstructuraux de l’os trabéculaire vertébral. Des paramètres microstructuraux ont été calculés pour les images μCT de cubes d’os trabéculaire vertébral humains. Ces mêmes cubes ont été compressés jusqu’à la rupture dans une machine de tests mécaniques. Une analyse de régression linéaire a alors été utilisée pour obtenir un modèle de prédiction des propriétés mécaniques anisotropiques à partir des paramètres microstructuraux. Le modèle de prédiction résultant de cette analyse rend compte de 51 à 85% de la variance dans les mesures expérimentales. La deuxième étape a été d’utiliser le modèle de prédiction ainsi créé sur des images micro-tomodensitométrie de 13 vertèbres cadavériques humaines intactes. Des paramètres microstructuraux ont été calculés dans 69 volumes d’intérêts pour chacune de ces vertèbres (3 tranches dans la direction rostro-caudale, 23 zones par tranche). Le module d’Young et la force à la rupture dans 3 directions ont été déterminés à partir des propriétés microstructurales, dans chacun des 897 volumes d’intérêts résultants. La cartographie des propriétés micro-structurelles et mécaniques a été proposée en calculant les moyennes et la déviation standard de chaque paramètre pour les 13 vertèbres. Des tests de Student ont été utilisés pour évaluer les différences entre les zones antérieure et postérieure, centrale et périphérique, et proximale, médiale et distale du corps vertébral. Les résultats ont montré que la tranche distale est significativement différente des tranches proximale et distale. Aussi, la subdivision en zones centrale et périphérique a été plus représentative en comparaison à la subdivision en zones antérieure et postérieure.

2) Les connaissances fondamentales acquises par le biais de cette étude permettront de renseigner des modèles éléments finis, tels que le modèle « Spine Model for Safety and Surgery » (SM2S), qui a été utilisé pour répondre au premier objectif. Un segment de trois vertèbres et des tissus connectifs intervertébraux a été extrait du modèle SM2S et soumis à 51 conditions de chargement dynamiques différentes divisées en quatre catégories : compression, cisaillement, traction et torsion. L’initiation et la propagation de la fracture ont été analysées et le temps et l’énergie à l’apparition de la fracture ont été mesurés. À chaque patron de fracture décrit dans la littérature a été associé un ou plusieurs des patrons de fracture simulés, ainsi que les conditions limites correspondantes. Quand comparées entre elles, les fractures en torsion sont apparues à faibles énergies, les fractures en compression ou cisaillement à moyennes énergies, et les fractures en traction à hautes énergies. Une augmentation de la vitesse de chargement a causé des fractures à plus haute énergie, pour des modes de chargements similaires. L’utilisation d’un modèle par éléments finis (MEF) a fourni une caractérisation quantitative de l’apparition des patrons de fractures complémentaire aux études cliniques et expérimentales, permettant ainsi de mieux comprendre la biomécanique des fractures vertébrales.

L’atteinte du second objectif, à savoir de caractériser la biomécanique de la contusion médullaire, a nécessité de répondre à quatre objectifs de recherche spécifiques.

1) Premièrement, il a été nécessaire de fournir des caractéristiques morphologiques de la moelle épinière saine humaine complète. Ceci a permis de proposer des paramètres « invariants » qui pourront servir de données normatives pour l’étude des lésions de la moelle épinière. Les dimensions absolues de la moelle épinière (diamètres transverse et antéro-postérieur, écartement des cornes antérieures et postérieures, aire de la section transverse, et pourcentage de substance blanche) ont été mesurées par segmentation semi-automatique d’images IRM à haute résolution de volontaires jeunes (N=15) et âgés (N=8). La robustesse des mesures, les effets de l’individu, de l’âge et du sexe, ainsi que la comparaison avec des données post mortem issues de la littérature ont été analysés statistiquement (Analyse de variance, Tuckey-HSD, Bland-Altman). L’utilisation de paramètres normalisés par rapport à C3 comme invariants a été évaluée par une étude de type « leave-one-out ». La morphologie du canal spinal a été mesurée et les valeurs extrêmes du ratio d’occupation du canal par la moelle ont été déterminées. Ce travail a fourni des observations qui devraient bénéficier à l’étude biomécanique et clinique des pathologies médullaires.

2) Dans l’objectif d’utiliser l’outil numérique pour étudier la contusion médullaire, les propriétés morphologiques ainsi décrites ont dû être complétées par la caractérisation de propriétés mécaniques de la moelle épinière sous des conditions dynamiques adaptées à l’étude des traumatismes. L’étude suivante a donc visé à définir des propriétés mécaniques dynamiques pour des échantillons de moelle épinière porcine soumis à une compression transverse. Des compressions simples et des tests de type DMA (Dynamic Mechanical Analysis) à différentes modalités de vitesse de déformation ont été effectués sur un total de 252 segments de moelle épinière. Les courbes contrainte-déformation résultantes et les paramètres obtenues par DMA ont été comparés entre les différents niveaux vertébraux et modalités de chargement. Les spécimens ont affiché un comportement viscoélastique non-linéaire et l’endommagement est apparu entre 60 et 80% de déformation, dépendamment de la vitesse de déformation (significativement plus élevé pour des vitesses de déformations plus faibles). L’augmentation des valeurs de contrainte avec la vitesse de déformation a été non linéaire. Ceci a été expliqué par les résultats de DMA, qui ont montré que la viscosité de la moelle épinière (et donc sa sensibilité à la vitesse de déformation) n’était pas constante pour les fréquences testées. Les résultats ont permis de comprendre le comportement mécanique de la moelle épinière, et de fournir des données qui pourront servir à la définition de modèles par éléments finis.

3) Les propriétés géométriques et mécaniques de la moelle épinière décrites dans cette partie de la thèse permettent de renseigner des MEFs. Ainsi, un MEF de moelle épinière et des structures anatomiques environnantes (pie-mère, dure-mère, racines nerveuses, liquide céphalo-rachidien) a été développé et utilisé pour comprendre la biomécanique de la contusion médullaire. Deux segments (thoracique et lombaire) de moelle épinière ont été utilisés. Les segments ont été impactés à 4.5m.s-1 pour reproduire une contusion médullaire causée par une fracture vertébrale comminutive. Le pourcentage de compression, la contrainte de Von Mises, et la cinématique de la lésion ont été observés, et comparés à des données expérimentales de référence. Les résultats ont été similaires aux données de la littérature. La moelle épinière a subi 7% de compression en plus au niveau thoracique, en comparaison au niveau lombaire, à cause des variations géométriques des substances grise et blanche. Le LCR a diminué le pourcentage de compression jusqu’à 14%. Le plus haut niveau de contrainte a été localisé dans les cornes antérieures de la substance grise, et correspondait aux descriptions du « central cord syndrome ». Cette étude confirme le rôle protectif du LCR sur les blessures médullaires, et le besoin d’une décompression rapide après un traumatisme du rachis. Enfin, un modèle similaire a été créé pour reproduire des contusions médullaires effectuées expérimentalement sur des spécimens murins. La comparaison des résultats de ces simulations avec les mesures faites expérimentalement et le suivi IRM et histologique de chaque spécimen a permis d’établir un début de critère lésionnel mécanique pour la moelle épinière. Cette dernière étude reste préliminaire et permettra, lors de son développement, de créer un vrai lien entre la fracture vertébrale et la lésion médullaire.

Les résultats générés dans cette thèse ont tout d’abord permis de confirmer l’existence d’un lien entre les conditions de chargement mécanique lors de traumatismes vertébraux et les patrons de fractures observés cliniquement. Toutefois, il est apparu que plusieurs modes de sollicitations peuvent mener à des patrons de fractures similaires. Certaines fractures observées cliniquement doivent donc être analysées avec attention, leur historique et potentielles blessures médullaires associées étant potentiellement multiples. De même, la contribution du liquide céphalo-rachidien dans la protection de la moelle épinière, et l’influence du niveau vertébral lors d’une contusion ont été quantifiés. L’interprétation des résultats soutient le choix d’une décompression rapide lors de la prise en charge chirurgicale d’une blessure médullaire. Enfin, les résultats générés tout au long de cette thèse ont permis de donner un ensemble de recommandations en rapport au développement de dispositifs de protection du rachis et de techniques chirurgicales. De plus, des connaissances fondamentales ont été acquises qui permettront d’améliorer les outils utilisés pour l’étude des traumatismes du rachis, tels que les modèles par éléments finis.

Résumé traduit

Spine traumas include bony fractures, intervertebral disc and ligaments lesions, and spinal cord injuries. They imply a high cost for the health system, as well as a highly incapacitating surgical management (length of hospitalization, physical handicap), and result in aftereffects such as sagittal curve deformity or tetraplegia. Their principal causes are motor vehicle accidents, falls and sports accidents. Multiple mechanisms of occurrence exist for vertebral fractures (compression, flexion-extension, shear, torsion) and spinal cord injury (contusion, traction, shear), which makes them complex to study. Despite major investments in research on this topic, there is a lack of the understanding of some aspects regarding these traumas. This slows down the progress in protection devices and surgical stratégies development. In this context, the main objective of this Ph.D. is to improve fundamental knowledge of vertebral fractures and spinal cord injuries mechanisms. After identifying the main observations and lacks of the literature, to research hypotheses were postulated.

H1. There is a link between traumatic mechanical loading and clinical cartographies of vertebral fracture found in the literature.
H2. During a medullar contusion, CSF has a protective role which can be quantified, and the traumatic behavior is vertebral level dependent.

Thus, this Ph.D. has two main objectives. The first one aims at understanding the mechanical causes of the different vertebral fracture patterns, and the second one aims at understanding the mechanisms of occurrence of spinal cord contusion. In each of these two parts, imaging, experimental, and numerical methods were used to (i) enhance mechanical or geometrical properties understanding for the studied biological tissues, or (ii) reproduce and characterize vertebral or spinal cord injuries.

Reaching the first objective, that is to establish a link between the known fracture patterns and their mechanical cause, required to achieve two specific research objectives. The first step was to create a prediction model for anisotropic mechanical properties of osteoporotic vertebral trabecular bone based on microstructural parameters. This model will then be used to compare structural anisotropy and mechanical anisotropy. Microstructural parameters were calculated on μCT images of cubes of human vertebral trabecular bones. The same cubes were compressed up to rupture in a mechanical testing machine. A linear regression analysis was then performed to obtain a prediction model of anisotropic mechanical properties from microstructural parameters. The prediction model resulting from the regression analysis accounted for 51 to 85% of the variance in the experimental measures. The second step was to use this model on micro-computed tomography images of 13 intact human cadaveric vertebrae. Microstructural parameters were calculated in 69 volumes of interest for each vertebra (three slices in the rostro-caudal direction, 23 areas per slice). Anisotropic Young’s modules and yield strengths from the microstructural parameters were defined in all 897 resulting volumes of interest. The cartography of microstructural and mechanical properties was proposed by calculating means and standard deviation of the different parameters over the 13 specimens. Student tests were used to evaluate differences between anterior and posterior, between central and peripheral, and between proximal, medial and distal areas of the vertebral body. Results showed that overall, distal slice is significantly different from medial and proximal slice. Also, it was shown that central versus peripheral subdivision of the vertebral body is more representative compared to anterior versus posterior subdivision. Fundamental knowledge acquired through this study will allow characterizing finite element models (FEM) such as the “Spine Model for Safety and Surgery” (SM2S) that was used to reach the first objective. A segment of three vertebrae and intervertebral connective tissues was extracted from SM2S and subjected to 51 different dynamic loading conditions divided into four categories: compression, shear, distraction and torsion. Fracture initiation and propagation were analyzed, and time and energy at fracture initiation were computed. To each fracture pattern described in the clinical literature was associated one or several of the simulated fracture patterns and corresponding loading conditions. When compared to each other, torsion resulted in low-energy fractures, compression and shear resulted in medium energy fractures, and distraction resulted in highenergy fractures. Increased loading velocity resulted in higher-energy fracture for similar loadings. The use of a finite element model provided quantitative characterization of fracture patterns occurrence complementary to clinical and experimental studies, allowing to fully understand spinal fracture biomechanics.

Reaching the second objective, that is to characterize the spinal cord contusion biomechanics, required to achieve four specific research objectives. First, it was necessary to provide morphological characteristics for the complete healthy human spinal cord. This allowed proposing “invariant” parameters that can be used as normative data for spinal cord injury studies. Absolute metrics of SC (transverse and antero-posterior diameters, anterior and posterior horns width, cross-sectional SC area and white matter percentage) were measured using semi-automatic segmentation of high resolution in vivo T2*-weighted transverse images acquired at 3T, at each SC level, on healthy young (N=15) and older (N=8) volunteers. Robustness of measurements, effects of subject, age, and gender, as well as comparison to previously published post mortem data were investigated using statistical analyses (Analysis of variance, Tuckey-HSD, Bland-Altman). Normalized-to-C3 parameters were evaluated as invariants using a leave-one-out analysis. Spinal canal parameters were measured and occupation ratio border values were determined. This work allowed providing observations that will benefit to biomechanical and clinical studies of spinal cord pathologies. In order to use a numerical model to study medullar contusion, the previously described morphological properties had to be completed by the characterization of mechanical properties for the spinal cord under dynamic loading adapted to traumatisms study. The next study thus aimed at defining dynamic mechanical properties for porcine spinal cord samples under transverse compression. Single compression and DMA tests at different strain rates and frequencies modalities were run on a total of 252 spinal cord segments. Stress strain curves and DMA parameters were compared between the different spinal levels and loading modalities. Samples showed a nonlinear viscoelastic behavior and damage occurred between 60 and 80% strain depending on the strain rate (significantly higher at lower strain rate). Increase of stress values with strain rates was not linear. This was explained by DMA results, which showed that spinal cord’s viscosity (and thus sensitivity to strain rate) was not constant over the tested frequencies. The results allow understanding the mechanical behavior of the spinal cord, and gives data which can be used in finite element models. Morphological and mechanical properties that were defined in this part of the thesis can be used to create FEMs. Thus, a FEM of the spinal cord and surrounding anatomical structures (pia mater, dura mater, nerve roots, and cerebrospinal fluid) was developed and used to understand medullar contusion biomechanics. A thoracic and a lumbar segment of the spinal cord were used. Segments were impacted at 4.5m.s-1 to reproduce spinal contusion following thoracolumbar burst fracture. Compression percent, Von Mises stress, and injury kinematics were observed and compared to reference experimental data. The results were similar to data from the literature. The spinal cord underwent 7% more compression at the thoracic level compared to the lumbar level, due to differences in the white and gray matter geometries. Cerebrospinal fluid presence lowered the compression percent by up to 14%. The highest stress levels were located in the gray matter anterior horns, and were consistent with central cord syndrome descriptions. This study confirmed the protective role of cerebrospinal fluid on medullar lesions, and the need for early decompression following spine trauma. Finally, a similar model was created to reproduce spinal cord contusions that were experimentally performed on mice specimens. Comparison of the simulation results with MRI and histology follow-up of each specimen allowed establishing a mechanical injury criterion for the spinal cord. This last study is preliminary and will allow, after some developments, creating a link between vertebral fracture and spinal cord injury.

Results generated in the Ph.D. first allow confirming the existence of a link between mechanical loading conditions during vertebral traumas and fracture patterns. However, it appeared in some cases that different loading conditions can lead to similar fracture patterns. Thus, some fractures observed in clinic must be analyzed with care, as their history and the potential associated spinal cord injuries can be of different natures. In the same way, the contribution of cerebrospinal fluid in spinal cord protection, and influence of vertebral level on injury mechanisms were quantified for medullar contusion. The interpretation of these results supports the choice of an early decompression during surgical management of a spinal cord injury. Finally, the results obtained through this thesis allowed giving recommendations regarding protection devices development and surgical techniques. Moreover, fundamental knowledge was acquired, that will allow enhancing tools used for spinal injuries biomechanics understanding, such as finite element models.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'Université d'Aix Marseille [et à] l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en sciences du mouvement humain et doctorat en génie cotutelle France-Québec". Bibliographie : pages 158-170.
Mots-clés libres: Colonne vertébrale Fractures Causes. Moelle épinière Contusions. Colonne vertébrale Chirurgie. Moelle épinière Chirurgie. rachis, thoracolombaire, traumatisme, vertebro-medullaire, biomécanique, modèle par éléments finis, essais mécaniques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Arnoux, Pierre-Jean
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 avr. 2014 19:11
Dernière modification: 14 mars 2017 00:08
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1291

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