Étude biomécanique des mécanismes lésionnels et des blessures médullaires au rachis cervical

Beauséjour, Marie-Hélène (2021). Étude biomécanique des mécanismes lésionnels et des blessures médullaires au rachis cervical. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le rachis cervical est une structure anatomique essentielle pour le support et la mobilité de la tête ainsi que pour la protection de la moelle épinière. Les blessures en flexion-distraction sont des blessures principalement disco-ligamentaires qui affectent les structures postérieures du rachis et peuvent mener à la subluxation ou la dislocation des facettes articulaires. Elles sont parmi les plus fréquentes au rachis cervical et elles entraînent de forts risques de blessures médullaires. Cependant, le mécanisme lésionnel qui cause ces blessures est toujours débattu dans la littérature et peu d’études expérimentales ont été menées sur ces blessures. Aussi, peu d’informations existent sur la contribution des structures disco-ligamentaires postérieures sur la stabilité post-traumatique du rachis et sur l’ampleur de l’atteinte neurologique après des blessures en flexion-distraction. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’analyser l’influence du mécanisme lésionnel (conditions de chargement, cinématique des vertèbres, patron de blessures) sur l’instabilité (amplitude de mouvement, déplacements relatifs intervertébraux) et l’endommagement mécanique de la moelle épinière (compression de la moelle, contrainte de von Mises, déformations principales) lors de blessures en flexion-distraction. Cette thèse est donc divisée en deux volets : un volet sur le comportement traumatique du rachis cervical dans des blessures de type flexion-distraction et un volet sur le comportement post-traumatique du rachis cervical et de la moelle.

Pour répondre au premier sous-objectif (O1), soit d’étudier la cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact dynamique à l’arrière de la tête ainsi que les blessures subséquentes, un banc d’essai, composé d’un siège ajustable et d’un impacteur horizontal de 40 kg, a été développé. Ce banc a été exploité pour une étude expérimentale sur six sujets cadavériques masculins de 82 à 96 ans. Les sujets ont été impactés à l’arrière de la tête à des vitesses de 3,5 à 5,5 m/s avec une inclinaison postérieure de 0 à 25 degrés. L’impacteur était équipé d’une cellule de force triaxiale. Des accéléromètres étaient positionnés au sternum, au front et dans la bouche des sujets. Les essais ont été filmés par deux caméras hautes vitesses. Des vis ont été insérées dans les vertèbres cervicales et équipées de deux marqueurs permettant le suivi par stéréographie de leur position spatiale. Des marqueurs ont été placés sur la tête et l’épaule des sujets. Les blessures créées ont été déterminées par l’analyse d’images par tomodensitométrie des sujets et par dissection. Des courbes d’accélérations des sujets, de force de l’impact et de déplacement de la tête et des vertèbres ont été acquises. Tous les spécimens ont eu une blessure au rachis cervical. Les résultats de cette étude ont montré que le chargement en flexion-compression appliqué à la tête créait, tel que supposé, des blessures en flexion-distraction puisque quatre sujets ont eu ce type de blessure, dont deux avec une fracture de la facette articulaire. Les deux autres sujets ont eu une fracture de la vertèbre C2 accompagnée pour un sujet d’une subluxation au niveau C1-C2. Le niveau C6-C7 était le plus souvent touché et deux sujets avait des blessures à des niveaux intervertébraux non adjacents. La présence d’ostéophytes antérieurs a été reliée à une protection contre les blessures au rachis supérieur et au niveau intervertébral des ponts ostéophytiques. Cependant, des fractures apparaissaient aux niveaux adjacents aux ostéophytes. La présence d’ostéophytes affecterait donc le type et l’emplacement des blessures.

Le deuxième sous-objectif (O2), caractériser le mécanisme lésionnel en hyper-flexion et hyperflexion avec compression, a été accompli avec un modèle par éléments finis (MEF) de l’unité fonctionnelle C4-C5 extraite du modèle SM2S (Spine model for safety and surgery) développé par le groupe iLab Spine. Les propriétés matériaux des ligaments ont été définis par des courbes de contraintes et déformations non-linéaires tirées de la littérature. Des lois de rupture des ligaments et du disque intervertébral (DIV) basées sur la déformation maximale ont été ajoutées. Le modèle a été validé par rapport aux valeurs de forces et de moments à la rupture. Le modèle a ensuite été soumis à deux chargements jusqu’à la rupture : 1) flexion de 500 °/s puis 2) flexion de 500 °/s avec une compression de 0,2 m/s. Sous le chargement en flexion seul, les ligaments jaune (LJ) et interépineux (LIE) étaient les premiers rompus, suivi de la portion postérieure de l’anneaux fibreux, des ligaments supraépineux (LSE) et du ligament postérieur longitudinal (LPL). Sous le chargement en flexion-compression, la portion antérieure du DIV était la première structure lésée suivi de la portion postérieure du DIV. Ensuite, le LJ, le LIE et le LSE ont été rompus. Dans les deux cas, les ligaments capsulaires n’ont pas rompu ce qui suggère que des chargements différents sont nécessaires pour mener à leur blessure et à la subluxation ou la dislocation des facettes. Les résultats montrent aussi que le LPL est particulièrement résistant à la flexion et la flexion-compression.

L’atteinte du troisième sous-objectif (O3), mesurer la mobilité pré- et post-trauma sur sujets anatomiques complets après un impact dynamique à l’arrière de la tête, a été effectuée dans le cadre de la campagne expérimentale sur sujet anatomiques (O1). L’amplitude de rotation en flexion-extension de la tête et l’amplitude intervertébrale ont été mesurées avant et après l’impact sur quatre des sujets de la campagne en plaçant manuellement d’une position de rachis cervical neutre à une position maximale de flexion puis d’extension. Après l’impact, l’amplitude de rotation à la tête a augmentée de 35 à 75%. Les amplitudes de rotation en flexion-extension intervertébrales ont subi une augmentation de 44 à 151%. La mobilité globale ou intervertébrale initiale était plus faible pour les sujets avec des ostéophytes antérieurs. Les plus grandes augmentations d’amplitude de rotation intervertébrale correspondaient à des fractures de l’articulation des facettes ce qui souligne l’instabilité de ce type de blessure.

Le quatrième sous-objectif (O4) visait à quantifier la contribution des structures discoligamentaires postérieures à la stabilité spinale du rachis cervical en flexion. Pour ce faire, le MEF du rachis cervical SM2S (C2-T1) a d’abord été raffiné et calibré. Les propriétés matériaux des ligaments et des DIV ont été adaptés pour le segment cervical et le chargement quasi-statique. Ces propriétés ont ensuite été calibrées par rapport à la pression intradiscale et la rotation intervertébrale en flexion-extension sous un chargement en moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Ensuite, une blessure des ligaments postérieurs (LSE, LIE et LJ) et une rupture transversale progressive du DIV (1/3 de la longueur antéro-postérieure du DIV, 2/3 puis une rupture complète) a été modélisée à trois niveaux (C2-C3, C4-C5 et C6-C7). La rupture des ligaments postérieurs a eu peu d’impact à C2-C3, mais a augmenté l’amplitude de 77 et 191% à C4-C5 et C6-C7 respectivement. À l’opposé, la rupture complète du DIV a eu un impact important au niveau C2-C3. Elle a généré une augmentation de l’amplitude de rotation de 181% à C2-C3 et une subluxation des facettes à ce niveau pour seulement 51 degrés de flexion entre C2 et T1. Cette étude suggère que ce type de blessures disco-ligamentaires, même sans l’atteinte des capsules ligaments, peut entraîner une instabilité du rachis cervical.

Pour répondre au cinquième objectif (O5), caractériser l’endommagement de la moelle épinière pour des blessures en flexion-distraction, le modèle de moelle épinière tirée de SM2S a été remaillé en éléments de type brique et sa géométrie et ses propriétés matériaux ont été améliorés. Le modèle a ensuite été vérifié par rapport aux déplacements relatifs entre la moelle et le canal et aux déformations principales dans la moelle en flexion-extension. Quatre combinaisons de blessures ont été testées au niveau C4-C5, C5-C6 et C6-C7. Ces combinaisons visaient à quantifier l’effet protecteur des diverses structures disco-ligamentaires postérieurs et de représenter les blessures possibles lors de la flexion-distraction. D’abord, le LJ, le LIE et le LSE étaient systématiquement rompus. Les blessures investiguées incluaient la rupture transversale partielle ou complète du DIV, la rupture du LPL et la rupture des capsules ligamentaires. Après la modélisation des blessures, le modèle a été soumis à un moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Les déformations principales et la contrainte de von Mises dans la substance blanche et la substance grise ont été calculées ainsi que la compression latérale et antéro-postérieure de la moelle épinière. En extension, les blessures investiguées n’ont eu que peu d’impact sur la moelle épinière. En flexion, la rupture complète du DIV et de tous les ligaments postérieurs à l’exception du LPL est la situation qui a générée les plus grandes contraintes de von Mises (47 à 66 kPa), les plus grandes déformations principales p1 (0,32 à 0,41 dans la substance blanche) et p3 (-0,78 à -0,96 dans la substance blanche) et la plus importante compression de la moelle épinière (35 à 48% dans la direction antéro-postérieure). Les patrons de déformations dans la moelle ont montré que le mécanisme lésionnel pour ces types de blessures lors de flexion post-trauma était une compression importante de la partie antérieure de la substance blanche au niveau lésé combiné à une tension dans la partie postérieure de la moelle. Les ligaments capsulaires ont été identifiées comme les structures les plus importantes pour la protection de la moelle épinière en flexion post-trauma suivi du DIV.

Ce projet doctoral a mis en évidence le lien entre les patrons de blessures disco-ligamentaire et l’instabilité clinique. L’hypothèse que les blessures en flexion-distraction sont causées par des forces de flexion-compression appliquées à la tête a également été démontrée et des données nouvelles de cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact à l’arrière de la tête ont été recueillies. Les résultats obtenus ont permis d’apporter des recommandations cliniques pour le diagnostic et le soin des patients avec des blessures au rachis cervical. Les connaissances acquises sur les mécanismes lésionnels permettront de guider la conception et l’évaluation de dispositifs de protection du rachis. L’accomplissement de cette thèse a aussi mené à l’amélioration d’outils numériques et expérimentaux qui pourront être utilisés pour approfondir l’étude des blessures du rachis et des blessures médullaires.

Titre traduit

Biomechanical study of injury mechanisms and spinal cord injury at the cervical spine

Résumé traduit

The cervical spine is an essential part of the human body responsible for the mobility and support of the head as well as the protection of the spinal cord. Flexion-distraction injuries are characterized by posterior disco-ligamentous injuries. They can lead to subluxation or dislocation of the articular facets and are among the most frequent injuries at the cervical spine. They also cause important neurological impairment. However, the injury mechanism leading to flexion-distraction injuries is still debated in the literature. Few experimental studies have been done specifically to reproduce this type of injuries. While disco-ligamentous injuries are recognized as unstable, there is little information on the contribution of the posterior structures to the post-traumatic spinal stability and the severity of neurological impairment following flexion-distraction injuries. Therefore, the objective of this thesis was to analyse the influence of the injury mechanism (loading conditions, vertebrae kinematics, injury patterns) on the instability (range of motion, relative intervertebral displacement) and on the spinal cord injury (spinal cord compression, von Mises stress, principal strains) in the context of flexiondistraction injuries. Thus, this work is divided into two parts: the traumatic behavior of the cervical spine leading to flexion-distraction injuries and the post-traumatic behavior of the cervical spine and the spinal cord.

To reach the first objective (O1), to characterize the head and cervical spine kinematics during a dynamic rear-head impact and the subsequent injuries, a test bench, composed of an adjustable seat and a horizontal impactor of 40 kg, was developed. This test bench was used in the context of an experimental campaign including six male post-mortem human subjects (PMHS) (82 to 96 years old). The PMHS were impacted at the rear of the head at 3,5 to 5,5 m/s with a posterior inclination of 0 to 25 degrees. The impactor was equipped with a triaxial load cell. Accelerometers were places at the sternum, forehead, and mouth of the subjects. Screws were inserted into the cervical spine vertebrae and equipped with two markers to allow 3D tracking by stereography. Markers were also placed on the subjects’ head and shoulder. The injuries due to the impact were assessed by computed tomography imaging and by dissection. The acceleration, impact force and head and cervical spine displacements curves during the impact were acquired. The six subjects sustained cervical spine injury. This study shows that flexion-compression loading applied to the head does lead to flexion-distraction injuries since four subjects sustained this type of injuries. Two of these subjects also had an articular facet fracture. The other two subjects suffered from a C2 fracture combined with a C1-C2 subluxation in one case. C6-C7 was the most often injured level and two subjects suffered from non-contiguous injuries. The presence of anterior osteophytes seemed to protect from upper cervical spine injuries and to protect the functional spinal units with osteophytic bridges. However, injuries were prone to occur at the spinal levels adjacent to the anterior osteophytes. Therefore, the presence of osteophytes influences the type and localisation of the injuries.

The second objective (O2), to characterize the injury mechanism in hyper-flexion and hyperflexion combined with compression loadings, was achieved using a finite element model (FEM) of the C4-C5 functional spinal unit extracted from SM2S (Spine model for safety and surgery) which was developed by the research group iLab Spine. The ligaments material properties were defined by non-linear stress and strain curves taken from the literature. The curves toe-region were calibrated against functional spinal units’ quasi-static flexion-extension curves. Maximal strain failure models were defined for the ligaments and the intervertebral disc (IVD). The model was validated against values of force and moment at failure. Then, the FEM was submitted to two types of loading up to failure: 1) flexion at 500 °/s and 2) flexion at 500 °/s with a compression of 0,2 m/s. Under flexion only, the ligamentum flavum (LF) and interspinous ligament (ISL) were ruptured first, followed by the posterior portion of the annulus, the supraspinous ligament (SSL) and the posterior longitudinal ligament (PLL). Under flexion-compression, the anterior part of the annulus was the first disrupted structure followed by the posterior part of the annulus. Then, the LF, ISL and SSL were ruptured. In both cases, the capsular ligaments (CL) were not ruptured. This suggests that different types of loading are necessary to cause their rupture and to cause the subluxation or dislocation of the articular facets. The results also show that the PLL is resistant to flexion and flexioncompression loading.

The achievement of the third objective (O3), to measure the pre and post-traumatic range of motion on PMHS following a rear-head dynamic impact, was attained during the experimental campaign on PMHS (O1). The head and intervertebral flexion-extension range of motion was measured before and after the impact on four subjects. The PMHS were filmed while motioned manually from a cervical spine neutral position to maximal flexion and then maximal extension. Following the impact, the head range of motion increased by 35 to 75 %. The intervertebral range of motion increased by 44 to 151 %. The global or intervertebral range of motion was lower for subjects with anterior osteophytes. Articular facets fracture created the most important increases in intervertebral range of motion highlighting the instability of this type of injury.

The fourth (O4) objective was to quantify the contribution of the posterior disco-ligamentous structures to the spinal stability of the cervical spine in flexion. First, the cervical spine FEM SM2S (C2-T1) was modified and calibrated. The material properties of the ligaments and IVD were adapted for the cervical spine and quasi-static loading conditions. The properties were calibrated against the intradiscal pressure and the intervertebral rotation in flexion-extension under pure flexion-extension moment loading (± 2 Nm). Then, injury to the posterior ligaments (LF, ISL and SSL) was modeled followed by a progressive IVD transversal rupture (1/3 of the antero-posterior length, 2/3 and finally complete rupture). The injuries were modeled at three levels: C2-C3, C4-C5 and C6-C7. The results showed that the ligaments disruptions had little impact at C2-C3 but increased the range of motion by 77 and 191 % at C4-C5 and C6-C7 respectively. On the contrary, the IVD complete rupture had an important impact at C2-C3 increasing the range of motion by 181 % and leading to facets subluxation at only 51 degrees of C2-T1 flexion.

To reach the fifth objective (O5), to characterize the spinal cord injury following flexiondistraction injuries, the SM2S spinal cord FEM was remeshed by brick elements and its geometry and material properties were improved. The link between the spinal cord and the medullary canal was modeled by spring elements. The FEM was verified against results of relative displacements between the spinal cord and the canal and against spinal cord principal strains at flexion and extension. Four combinations of injuries were tested subsequently at C4- C5, C5-C6 and C6-C7. These combinations aimed to quantify the contribution of the posterior disco-ligamentous structures to the protection of the spinal cord and to represent the diversity of injuries possible for flexion-distraction injuries. First, the LF, ISL and SSL were systematically ruptured. The injuries tested included the complete or partial transversal IVD rupture, PLL rupture and CL rupture. After injury modeling, the FEM was submitted to a pure moment in the sagittal plane (± 2 Nm). The principal strains and the von Mises stresses in the white and grey matters were measured as well as the lateral and antero-posterior compression of the spinal cord. In extension, the tested injuries had little impact on the spinal cord. In flexion, the complete rupture of the IVD combined with the rupture of all the posterior ligaments, excepted the PLL, was the situation leading to the highest von Mises stresses (47 to 66 kPa), the most extreme principal strains p1 (0.32 to 0.41 in the white matter) and p3 (-0.78 to -0.96 in the white matter) and the most important spinal cord compression (65 to 48 % in antero-posterior). The principal strains patterns in the spinal cord showed that the injury mechanism for these type of injuries during post-traumatic flexion, was an important compression of the anterior part of the white matter at the injured level combined with tension of the posterior part of the spinal cord. The CL followed by the IVD were identified as the most important structures for the protection of the spinal cord in post-traumatic flexion.

This research project has shown the relation between disco-ligamentous injury patterns and clinical instability. The hypothesis that flexion-distraction injuries are caused by flexioncompression loads applied to the head has also been demonstrated. New kinematic data for the head and the cervical spine during a rear-head impact were collected. The results from this thesis lead to clinical recommendations for the diagnostic and medical care of patients suffering from cervical spine injuries. The information acquired on the injury mechanisms will be useful for the development and evaluation of protective devices for the cervical spine. Finally, the realization of this thesis lead to improvement and development of numerical and experimental tools which will be used in the future to deepen our knowledge on spine trauma and spinal cord injury.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée en cotutelle à l’École de technologie supérieure et Aix-Marseille Université comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en sciences du mouvement humain et doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 203-231).
Mots-clés libres:	rachis cervical, trauma, moelle épinière, biomécanique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Petit, Yvan Arnoux, Pierre-Jean
Codirecteur:	Codirecteur Wagnac, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 janv. 2022 19:58
Dernière modification:	10 janv. 2022 19:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2826

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