Description de la colonne vertébrale, analyse biomécanique de ses pièces constitutives et de l'ensemble fonctionnel

1. Biomécanique
du
rachis
Benjamin
NICOT
Neurochirurgien

2. Plan
I. Aperçu
de
la
colonne
vertébrale
a) Vues
d’ensemble
b) Rappels
d’anatomie
c) MensuraFons
II. Pièces
consFtuFves
a) Os
b) Système
nerveux
contenu
dans
la
colonne
vertébral
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
III. Biomécanique
propre
a) DéfiniFon
du
segment
mobile
rachidien
b) Os
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
IV. Biomécanique
de
l’ensemble
a) Un
système
par
intégrité
de
tension
b) En
équilibre
c) Exemples
de
contraintes
supportées
par
le
rachis
lombaire
d) L’amorFssement
e) ModélisaFon

3. La
colonne
vertébrale
est
un
écrin
adaptable
• Précieuse
• Renferme
un
trésor
:
le
système
nerveux
• AdaptaFon
instantanée
• AdaptaFon
prolongée

4. Plan
I. Aperçu
de
la
colonne
vertébrale
a) Vues
d’ensemble
b) Rappels
d’anatomie
c) MensuraFons
II. Pièces
consFtuFves
a) Os
b) Système
nerveux
contenu
dans
la
colonne
vertébral
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
III. Biomécanique
propre
a) DéfiniFon
du
segment
mobile
rachidien
b) Os
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
IV. Biomécanique
de
l’ensemble
a) Un
système
par
intégrité
de
tension
b) En
équilibre
c) Exemples
de
contraintes
supportées
par
le
rachis
lombaire
d) L’amorFssement
e) ModélisaFon

5. I.
APERCU
DE
LA
COLONNE
VERTEBRALE

6. Vues
de
la
colonne
vertébrale
ou
rachis
:
1
de
face
=>
plan
frontal
2
de
profil
=>
plan
sagiVal
3
de
dos
Une
vue
de
dessus
ou
de
dessous
définit
le
plan
axial
1
2
3
Aperçu
global
de
la
colonne
vertébrale

7. 3
plans
anatomiques
Utilisés pour décrire toute structure du corps humain, en clinique et en imagerie

8. Lordose
cervicale
20-­‐40°
Cyphose
thoracique
20-­‐40°
Lordose
lombaire
30-­‐50°
Cyphose
du
sacrum
3
courbures
physiologiques
dans
la
plan
sagiVal

9. RecFtude
physiologique
dans
le
plan
frontal

10. La scoliose est une déformation 3D

11. LA VERTEBRE FONDAMENTALE (vue ventro latéro crâniale G)
Corps
Colonne zygapophysaire G
Facette zygapophysaire
caudale G
Zygapophyse
crâniale D
Pédicule G
Lame G
Processus épineux
Foramen vertébral
Processus transverse G
Arc vertébral

13. Colonne
mobile
Colonne fixe
1/5
1/5
1/5
2/5
Colonne cervicale
7 vertèbres (C)
Colonne thoracique
12 vertèbres (T)
Colonne lombaire
5 vertèbres (L)
Coccyx
4-5 vertèbres
C5
T6
L4
Pôle dorsal du
crâne
Sommet de la
courbure
thoracique
Sommet de la
courbure sacrée
Mensurations de la colonne
-2/5 de la stature
-homme: 70-75 cm
-Femme: 60-65 cm
FORME ET DIMENSIONS DE LA COLONNE VERTEBRALE
Colonne sacrée
(sacrum)
5 vertèbres (S)

14. II.
PIECES
CONSTITUTIVES

15. Plan
I. Aperçu
de
la
colonne
vertébrale
a) Vues
d’ensemble
b) Rappels
d’anatomie
c) MensuraFons
II. Pièces
consFtuFves
a) Os
b) Système
nerveux
contenu
dans
la
colonne
vertébral
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
III. Biomécanique
propre
a) DéfiniFon
du
segment
mobile
rachidien
b) Os
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
IV. Biomécanique
de
l’ensemble
a) Un
système
par
intégrité
de
tension
b) En
équilibre
c) Exemples
de
contraintes
supportées
par
le
rachis
lombaire
d) L’amorFssement
e) ModélisaFon

16. LES
PIECES
OSSEUSES

17. La
colonne
cervicale

18. Le
sommet
du
rachis
cervical
souFen
directement
la
tête
(C1
est
appelée
l’Atlas)

21. C7
est
la
dernière
vertèbre
cervicale,
son
épineuse
est
dite
«
proéminente
».
Elle
repose
sur
la
première
vertèbre
thoracique
T1

22. La
colonne
thoracique

25. T12
est
appelée
vertèbre
de
transiFon,
sa
morphologie
est
proche
d’une
vertèbre
lombaire
:
-­‐
corps
vertébral
plus
volumineux
-­‐
pédicule
plus
large
-­‐
processus
épineux
plus
horizontal

27. La
colonne
lombaire

28. Facette articulaire supérieure
Facette articulaire supérieure
Facette articulaire inférieure
Facette articulaire inférieure

29. Les
3
piliers
de
la
colonne
vertébrale
(au-­‐dessous
de
C2)
René LOUIS 1977

30. Il
existe
une
grande
variabilité
individuelle
concernant
l’orientaFon
des
faceVes
arFculaires
et
notamment
sur
la
posiFon
des
vertèbres
transiFonnelles
(ex
:
T9
à
L1).
Les
faceVes
arFculaires
des
vertèbre
lombaires
ne
sont
pas
planes
mais
courbes.
L’orientaFon
des
faceVes
condiFonne
les
mouvements
intervertébraux
OrientaFon
des
faceVes
arFculaires

31. 45°
plan
axial
Vertèbres
cervicales
au-­‐dessous
de
C2

32. 60°
plan
axial
20°
plan
frontal
Vertèbres
thoraciques

33. 90°
plan
axial
45°
plan
frontal
Vertèbres
lombaires

34. Le
sacrum
ou
«
vertèbre
pelvienne
»

38. coccyx
Facette articulaire supérieure
le sacrum est surtout un os porteur

40. Clef
de
voûte

41. La
balance
de
PAUWELS
Au cours d’un appui monopodal (ex : la marche),
pour garder le bassin à l’horizontale, il est
nécessaire de contre-balancer le poids du corps
dont la composante verticale passe par le
sacrum

42. P
Bilan des forces de part et d’autre de la tête fémorale assimilée à un point d’appui
Pour que la station unipodale droite soit tenue : F = P (en normes)
F
OA B

43. L’effet des muscles fessiers permet de
contre-balancer le poids du corps (en
plus du mouvement des bras)
Du fait de la création de bras de levier
(OB = 2 OA), la contrainte résultante sur
l’articulation coxo-fémorale est d’environ
4 fois le poids du corps
OA B

44. Quizz : comment expliquer la perte
d’horizontalité du bassin de cette
personne (hypothèses
biomécaniques seulement)? Quels
sont les mécanismes de
compensation?
- Insuffisance intrinsèque des
muscles fessiers à droite
- Bras de levier trop important,
insuffisance fonctionnelle
- Compensation par l’augmentation
du poids du corps en dehors de la
projection verticale de l’articulation
coxo-fémorale droite

45. LE
SYSTEME
NERVEUX
A
L’INTERIEUR
DE
LA
COLONNE
VERTEBRALE

46. La
moelle
épinière
et
les
racines
spinales
Entre
chaque
vertèbre
sortent
4
racines
spinales
(2
droites
et
2
gauches)
La
racine
ventrale
est
motrice,
la
dorsale
est
sensiFve
La
moelle
se
termine
en
L1
Dans
le
canal
lombaire,
il
n’y
a
que
des
racines
spinales

47. Au
niveau
thoracique
(et
cervical)
:
la
moelle
et
les
racines
spinales
segmentaires
Au
niveau
de
L1
:
le
cône
terminal
et
les
racines
de
la
queue
de
cheval

48. L’APPAREIL
DISCO-­‐LIGAMENTAIRE

49. Les
vertèbres
sont
reliées
et
maintenues
entre
elles
par
des
structures
fibreuses
:
elles
permeVent
les
mouvements
en
gardant
les
arFculaFons
congruentes
et
évitent
les
déplacements
excessifs
à
risque
neurologique
et/ou
vasculaire
Disque
intervertébral
Ligament
intervertébral
Capsule
synoviale
Entre
les
surfaces
arFculaires
Entre
points
d’ancrage
non
arFculés

50. LES
DISQUES

52. Structure
des
disques
intervertébraux
θ=60°
+
croisement
entre
2
couches
=
meilleure
résistance
à
la
tracFon
Annulus
fibrosus
(carFlage)
Coupe
frontale
Coupe
axiale

53. • Les
disques
représentent
20
à
33%
de
la
hauteur
de
la
colonne
vertébrale
• Le
nucleus
est
très
hydraté
(70-­‐90%
d’eau),
plutôt
postérieur
dans
la
région
L
où
il
consFtue
30-­‐50
%
de
la
surface
du
disque
• L’anulus
est
fibreux,
il
s’insère
sur
le
carFlage
sous-­‐chondral
et
directement
sur
l’os
en
périphérie
(fibres
de
SHARPEY)

54. LES
LIGAMENTS

55. Histologie
Structures avasculaires, composées de fibres de collagènes en faisceaux parallèles

56. Complexe «multi-couche » au niveau de la charnière crânio-rachidienne,
région fonctionnellement très mobile mais qui doit protéger la moelle
épinière cervicale : conservation des dimensions du canal médullaire
Anatomie

57. Le
ligament
jaune
Disque
intervertébral
Ligament
longitudinal
antérieur
Ligament
longitudinal
postérieur
Capsule
synoviale
Ligament
inter-­‐épineux
Ligament
supra-­‐épineux
Composition des structures ligamentaires au-dessous de C2

59. LES
MUSCLES

60. Histologie

62. Les
vertèbres
sont
aussi
reliées
et
maintenues
entre
elles
par
des
structures
musculaires.
Ce
sont
par
ailleurs
les
effecteurs
des
mouvements
acFfs
intervertébraux
≠
mouvements
passifs
liés
à
l’élasFcité
arFculaFon-­‐ligaments-­‐muscles
et
liés
à
la
pesanteur
Muscles
profonds
insérés
sur
les
vertèbres
Muscles
superficiels
insérés
sur
d’autres
structures
osseuses
Anatomie

63. Muscle oblique externe
oblique interne et grands droits
transverse de l’abdomen
Muscles
antérieurs
pour
le
rachis
lombaire

64. Muscles
postérieurs
pour
le
rachis
lombaire

66. Importance des tissus disco-
ligamentaires et musculaires
qui entourent le rachis

67. III.
BIOMECANIQUE
PROPRE

68. Plan
I. Aperçu
de
la
colonne
vertébrale
a) Vues
d’ensemble
b) Rappels
d’anatomie
c) MensuraFons
II. Pièces
consFtuFves
a) Os
b) Système
nerveux
contenu
dans
la
colonne
vertébral
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
III. Biomécanique
propre
a) DéfiniFon
du
segment
mobile
rachidien
b) Os
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
IV. Biomécanique
de
l’ensemble
a) Un
système
par
intégrité
de
tension
b) En
équilibre
c) Exemples
de
contraintes
supportées
par
le
rachis
lombaire
d) L’amorFssement
e) ModélisaFon

69. DEFINITION
DU
SEGMENT
MOBILE
RACHIDIEN

70. Une
unité
foncFonnelle
=
segment
mobile
rachidien
<>
2
vertèbres
et
leurs
structures
disco-­‐ligamentaires
internes
Le
segment
mobile
rachidien

71. Système
de
coordonnées
centré
ici
sur
la
vertèbre
supérieure
pour
étudier
la
biomécanique
du
segment
mobile
rachidien

72. Les
mouvements
se
créent
entre
les
vertèbres,
au
sein
de
chaque
unité
foncFonnelle
ou
segment
mobile
rachidien,
autour
des
centres
instantanés
de
rotaKon
Ces
mouvements
sont
souvent
composés
(ex
:
une
inclinaison
latérale
nécessite
une
rotaFon
homolatérale)
E
F
ID
IG
RD&G
Plan
sagiVal
Plan
frontal
Plan
axial
Mouvements
fondamentaux

73. Ces
mouvements
nécessitent
une
résistance
de
l’ensemble
de
la
colonne
vertébrale
(contraintes
en
compression
et
cisaillement)
et
une
élasFcité
(mouvements
intervertébraux)
Les
mouvements
de
la
colonne
vertébrale

75. L’environnement
osseux
et
ligamentaires
de
la
colonne
vertébrale
thoracique,
l’orientaFon
de
ses
faceVes
arFculaires
augmentent
sa
rigidité.
Finalité
:
un
«
mât
»
pour
permeVre
de
gonfler
les
poumons.
Résultats
obtenus
par
simulaFon

76. LES
PIECES
OSSEUSES

77. Contraintes
en
compression
sur
les
corps
vertébraux
Le
modèle
de
colonne
vertébrale
selon
LOUIS
(1977)
montre
bien
l’augmentaFon
des
volumes
et
masses
vertébrales
de
C3
à
L5
:
adaptaFon
mécanique
à
l’augmentaFon
des
charges
qui
sont
appliquées
>
foncFon
de
support

78. Os
corFcal
>
compact
Os
spongieux
>
trabéculaire
Les vertèbres sont constitués
d’os cortical, leur enveloppe et
d’os spongieux, leur contentu
L’architecture osseuse permet d’optimiser la résistance osseuse en
compression

79. A
et
B
:
vertèbre
consFtuée
d’os
corFcal
seul
C
et
D
:
travées
osseuses
verFcales
seulement
E
et
F:
maillage
de
travées
osseuses
(os
spongieux)

80. Les
travées
osseuses
sont
organisées
en
cylindres
pour
limiter
le
flambement

81. Le
flambage
ou
flambement
est
une
flexion
sous
un
effort
normal
de
compression

82. Pour
le
cas
spécifique
de
la
compression,
on
définit
aussi
le
coefficient
de
POISSON
qui
permet
de
caractériser
la
contracFon
de
la
maFère
perpendiculairement
à
la
direcFon
de
l'effort
appliqué

83. Avec l’augmentation de la vitesse de déformation, l’écoulement visqueux
de la moelle osseuse est limité ce qui contribue à augmenter l'énergie
absorbée par l'os en cas d’impact.
Influence
de
la
vitesse
de
déformaFon
de
l’os
vertébral

84. 1/ phase linéaire;
2/ phase de déformation plastique suivie d'une phase horizontale,
(l'affaissement des pores)
3/ phase de densification : elle intervient après l'affaissement complet des
cellules, et se caractérise par une augmentation de la contrainte.
La moelle osseuse a un rôle
majeur pour assurer la résistance
de l’os spongieux vertébral aux
traumatismes

85. Cas
de
l’ostéoporose

86. L’amincissement
des
travées
de
l’os
spongieux,
débute
par
les
travées
horizontales
donc
augmente
la
longueur
libre
des
travées
verFcales
et
donc
le
risque
de
fracture
vertébrale
par
flambage.

87. L’amincissement
des
l’os
trabéculaire
se
traduit
par
une
baisse
de
la
minéralisaFon
vertébrale,
mesurable
cliniquement
par
l’ostéodensitométrie

89. Le TBS est un indice de
texture osseuse qui
évalue la variation des
niveaux de gris des
pixels d’une image de
DMO lombaire, donnant
un index indirect de la
micro-architecture
trabéculaire

90. La
quanFté
d’os
sec
est
directement
corrélée,
de
façon
exponenFelle,
à
la
résistance
du
corps
vertébral
en
compression
(NB
:
la
moelle
osseuse
joue
un
rôle
mécanique
dans
l’absorpFon
des
chocs)

91. Les
paFents
ne
sont
pas
tous
égaux
suite
à
la
survenue
d’une
fracture
vertébrale
:
pour
certains
l’os
spongieux
devient
plus
rigide
sous
compression
progressive
après
fracture.
L’orientaFon
des
travées
osseuses
joue
probablement
un
rôle
explicaFf
majeur
env
9.5%
(<
2%
pour
l’os
corFcal)

92. L’orientaFon
globale
des
travées
osseuses
consFtue
des
lignes
de
force
Loi
de
WOLFF
:
la
croissance
ou
le
remaniement
osseux
s’organisent
en
réponse
aux
contraintes
exercées
sur
eux
Autres
contraintes
sur
les
corps
vertébraux

93. Moment
fléchissant
Traction dans la partie supérieure
Compression dans la partie inférieure
Fibre neutre
F

94. F

95. Cisaillement
F
R

96. F
R

97. 20%
80%
Les
forces
de
compression
passent
par
le
complexe
disque-­‐corps
vertébral
pour
80%
et
les
zygapophyses
pour
20%
Ces
mesures
ont
été
réalisées
par
capteur
de
pression
sur
un
segment
mobile
rachidien
avec
et
sans
arc
postérieur
par
Nachemson
Contraintes
sur
les
faceVes
arFculaires

98. La
contrainte
en
compression
sur
les
faceVes
arFculaires
:
>
diminue
lors
de
l’antéflexion
(jusqu’à
7°
par
exemple
pour
L2-­‐L3
car
après
la
compression
sur
les
faceVes
augmente)
>
augmente
avec
l’extension
pour
la
colonne
cervical
et
lombaire,
le
contraire
se
crée
sur
la
colonne
thoracique

100. CeVe
contrainte
en
compression
sur
les
faceVes
arFculaires
augmente
avec
leur
posiFon
au-­‐dessus
de
l’apex
de
la
lordose
pour
le
rachis
lombaire
Au-­‐dessous,
les
contraintes
sont
davantage
en
cisaillement
apex
(point
d’inflexion)
lombaire

101. apex
(point
d’inflexion)
lombaire
P
P

102. Rôle
des
faceVes
arFculaires
dans
les
mouvements
intervertébraux
Les facettes sont recouverte de cartilage articulaire
Fonctions du cartilage :
dynamique (associé au liquide
synovial) : diminution des
forces de friction
statique : transmission,
répartition et amortissement
des contraintes

103. L’usure
du
carFlage
est
associée
à
l’arthrose

104. Le
rôle
des
faceVes
arFculaires
est
fondamental
pour
les
mouvements
intervertébraux
en
les
rendant
possibles
mais
aussi
en
limitant
les
amplitudes
extrêmes
(luxaFons).
Ex
d’une
étude
au
laboratoire
d’anatomie
de
l’impact
de
gestes
de
résecFon
osseuse
sur
la
mobilité
du
rachis
lombaire

105. Ces
arFculaFons
peuvent
«
s’user
»,
de
l’arthrose
se
développe
pouvant
rétrécir
le
canal
vertébral.
Ceci
est
favorisé
par
l’affaissement
discal.

107. Risque de
luxation
Risque de
spondylolisthésis
Les articulations en C et J,
orientées à 45°, permettent de
limiter les risques de luxation
latérale et de spondylolisthésis tout
en permettant les mouvements
intervertébraux

108. Mise
en
évidence
du
rôle
stabilisateur
des
faceVes
arFculaires
:
le
spondylolisthésis
DégénéraFf
:
favorisé
par
la
sagiValisaFon
des
faceVes
Lyse
isthmique
bilatérale
:
séparaFon
des
faceVes
supérieures
et
inférieures

109. L’obliquité
des
faceVes
favorise
la
rotaFon
axiale,
donc
le
cisaillement
axial
des
disques,
les
lésions
de
l’annulus
(la
moiFé
des
fibres
sont
alignés
avec
la
direcFon
de
ce
mouvement
et
donc
éFrées)
qui
peuvent
entraîner
l’appariFon
d’une
hernie
discale

110. LES
DISQUES

111. De
retour
sur
Terre,
les
astronautes
mesurent
quelques
cenFmètres
de
plus
qu’avant
leur
départ
Idem
le
maFn
au
réveil
<>
PercolaFon
et
échanges
osmoFques
dans
le
disque
:
exsudaFon
de
fluide
sous
compression
et
redistribuFon
lors
de
la
relaxaKon
Propriétés
visco-­‐élasFques

112. • On
disFngue
2
types
de
contraintes
exercées
sur
les
disques
car
leur
réponse
sera
variable
du
fait
de
leur
caractère
visco-­‐élasKque
:
leurs
propriétés
physiques
varient
dans
le
temps
>
contraintes
courtes
de
grande
intensité
(ex
:
effort
brusque
de
soulèvement)
<>
propriétés
de
solide
élasKque
>
contraintes
longues
de
faible
intensité
(ex
:
acFvité
quoFdienne,
locomoFon)
<>
propriétés
de
fluide
visqueux

113. • Les
propriétés
viscoélasKques
des
disques
sont
dépendantes
du
temps.
Les
courbes
contraintes-­‐déplacements
sont
foncFon
de
la
vitesse
d’applicaFon
des
contraintes
• Plus
les
contraintes
sont
rapides
plus
les
matériaux
deviennent
rigides
Piscine
remplie
avec
un
fluide
non
newtonien
:
sa
viscosité
n’est
pas
constante,
ici
de
l’Oobleck
(eau+fécule
de
maïs)

114. <>
Solide
viscoélasKque
<>
Solide
élasFque
modèle
mécanique
:
ressort
Fluide
newtonien
modèle
mécanique:
amorFsseur
Comportement
élasFque
Comportement
visqueux
Corps
idéalement
élasKque
La
réversibilité
entre
contrainte
et
déformaFon
est
parfaite
(il
n'y
a
pas
d'effet
mémoire
du
matériau).
Les
relaFons
entre
contrainte
et
déformaFon
sont
instantanées.
Les
relaFons
entre
contrainte
et
déformaFon
sont
linéaires.
Corps
idéalement
visqueux
La
viscosité
de
dépend
pas
des
contraintes
appliquées
sur
le
fluide
L'énergie
mécanique
est
totalement
dissipée
(sous
forme
de
chaleur).

115. Le
fluage
est
caractérisFque
d’un
matériau
viscoélasFque
Le
fluage
du
disque
sous
charge
compressive
constante
s’explique
par
l’exsudaFon
du
fluide
qui
a
lieu
en
réponse
au
dépassement
de
la
pression
nucléaire
admissible.
Si
l’on
applique
au
disque
une
contrainte
constante,
la
déformaFon
augmente
progressivement
tant
que
le
fluide
conFnue
à
s’écouler.
Lorsque
l’ensemble
collagène-­‐
protéoglycanes
est
parvenu
à
équilibrer
la
charge
externe,
l’exsudaFon
cesse
et
la
déformaFon
tend
à
devenir
constante.
temps
déformation

117. Lors
de
la
relaxaKon,
l’hystérésis
est
du
à
la
perte
d’énergie
converFe
en
chaleur
L’origine
de
la
relaxaFon
de
contraintes
provient
aussi
de
l’exsudaFon
de
fluide.
Durant
l’applicaFon
d’un
déplacement
à
une
certaine
vitesse,
une
augmentaFon
de
la
contrainte
interne
est
générée
par
l’exsudaFon
forcée
du
fluide
intersFFel
et
la
compression
de
la
matrice
solide
aux
environs
de
la
surface.
Lorsque
le
déplacement
est
maintenu,
la
relaxaFon
de
la
contrainte
est
en
retour
engendrée
par
la
redistribuFon
progressive
du
fluide
dans
la
matrice.

119. Pour
des
charges
faibles
les
disques
montrent
peu
de
résistance
(assurent
le
mobilité)
alors
que
pour
des
charges
plus
importantes
ils
devient
plus
rigides
(assurent
la
stabilité)
Pour
étudier
les
propriétés
mécaniques
des
disques
sur
banc
d’essai,
les
charges
et
déformaFons
sont
enregistrées
simultanément.

120. La
résistance
au
cisaillement
antérieur
intervertébral
est
de
2/3
par
le
disque
et
1/3
par
les
faceVes
lorsque
la
contrainte
est
appliquée
de
façon
rapide.
Si
la
contrainte
est
appliquée
lentement,
la
vertèbre
sus-­‐jacente
tend
à
glisser
(propriétés
viscoélasFques
des
disques)
et
la
part
de
résistance
des
faceVes
peut
être
proche
de
100%.
La visco-élasticité des disques influence
les contraintes reçues par les structures
adjacentes

121. Les
disques
et
les
faceVes
zygapophysaires
sont
les
éléments
soumis
surtout
à
des
forces
de
compression
Ceci
se
retrouve
dans
les
modèles
biomécaniques,
staFques,
du
rachis
permeVant
d’évaluer
la
stabilité
de
la
structure
dans
le
cas
de
fractures
osseuses
ou
lésions
ligamentaires
En
posiFon
assise
les
forces
exercées
dans
le
disque
peuvent
supérieures
à
3
fois
le
poids
du
corps
se
trouvant
au-­‐dessus

122. Selon
la
classificaFon
des
fractures
de
MAGERL,
qui
repose
sur
le
modèle
biomécanique
d’OLDSWORTH,
le
rachis
à
gauche
(fracture
isolée
du
corps
vertébral)
est
plus
stable
que
le
rachis
à
droite
(fracture
du
corps
et
des
piliers
postérieurs,
les
massifs
zygapophysaires)

123. Lésions
discales
• TraumaFsmes
aigus
des
disques
:
fissuraFon
de
l’annulus,
déchirure
(luxaFon
inter-­‐
vertébrale)
<>
rares
• TraumaFsmes
chroniques
:
dégénérescence
discale,
favorisée
par
:
– SuscepFbilité
généFque
discale
– Géométrie
de
la
colonne
vertébrale
– Facteurs
environnementaux
:
profession,
acFvités
physiques

124. On
retrouve
les
forces
de
tracFon
sur
l’annulus
même
au
repos
:
les
contraintes
exercées
sur
les
disques
lombaires
sont
d’environ
120-­‐200N
mesures
sur
cadavre
120N
>
0N
après
résecFon
des
éléments
postérieurs
mesures
in
vivo
200N
>
Problème
du
risque
de
récidive
de
hernie
discale
une
fois
que
l’annulus
a
été
ouvert
Les
forces
de
compression
sur
le
nucleus
créent
des
forces
de
tracFon
sur
l’annulus

125. Les
lésions
dégénéraKves
/
traumaKques
survenant
sur
les
disques
liés
aux
forces
de
compression
peuvent
entraîner
:
-­‐
un
bombement
discal
sans
direcFon
spécifique
(bulging
disc)
-­‐
des
nodules
de
SCHMORL
liée
à
une
fracture
des
plateaux
vertébraux
Contraintes
en
compression
axiale

126. La pression dans
les disques est
plus importante
en position
assise qu’en
station debout
(mesures in vitro)

127. Les
forces
de
tracKon
augmentent
dans
certaines
porFons
du
disque
lors
de
certaines
phases
de
mouvements
de
flexion/extension,
inclinaisons,
rotaFons
En
flexion,
une
tracFon
apparaît
dans
la
parFe
postérieure
du
disque
sur
l’annulus
et
un
bombement
(bulging)
du
disque
dans
la
parFe
antérieure

128. Disque
du
sujet
jeune
:
nucleus
hydraté,
transmet
les
forces
de
compression
>
tension
des
fibres
de
l’annulus
L’hydrataFon
joue
donc
un
rôle
majeur,
le
nucleus
reFent
l’eau
(ex
:
taille
d’un
individu
plus
importante
le
maFn
au
lever)
La
résistance
de
l’os
spongieux
a
un
gradient
centre
>
périphérie
Disque
du
sujet
âgé:
nucleus
déshydraté,
transmet
mal
les
forces
de
compression
>
compression
des
fibres
de
l’annulus
Les
plateaux
sont
soumis
à
moins
de
«
contre-­‐pression
»
et
perdent
leur
concavité
La
résistance
de
l’os
spongieux
est
homogène
centre
-­‐
périphérie

129. Ceci
se
démontre
expérimentalement
sur
un
segment
mobile
rachidien
sans
dégénérescence
discale

130. En
plus
d’altérer
la
réparFFon
3D
des
forces,
un
disque
dégénéré
se
déforme
davantage
et
plus
vite.
Il
en
résulte
une
perturbaFon
des
mouvements
intervertébraux,
qui
vont
altérer
le
foncFonnement
faceVaire
et
ligamentaire

131. 6-­‐8°
dans
tous
les
plans
n’entraîne
pas
de
lésion
15°
de
flexion
antérieure
(expérimentalement
par
retrait
des
éléments
postérieurs)
entraîne
une
rupture
du
disque
>
Donc
les
hernies
discales
sont
liées
aux
mouvements
des
disques
de
même
que
leur
orientaFon
postérieure
spécifique
(flexion
antérieure
du
rachis
+++)
Contraintes
en
fléchissement

132. α
α
en
degrés
M
en
N.m
3
12
16-­‐20
0
Contraintes
en
torsion

134. LES
LIGAMENTS

135. Les
ligaments
sont
efficaces
lorsqu’ils
sont
soumis
à
des
forces
parallèles
à
leurs
fibres,
leurs
propriétés
sont
donc
direcFonnelles
ou
anisotropiques.
Ils
résistent
aux
forces
de
tracFon
mais
en
compression
on
observe
un
flambage
immédiat
>
sauf
pour
le
ligament
jaune
cervical
Résistance
des
ligaments

136. On
note
ε
la
déformaFon
d’un
matériau,
en
compression
ou
en
tracFon
et
défini
par
la
relaFon
suivante
:
L’effort
est
:
σ =
F
A
F
ici
est
la
force
de
tracFon
Rappels
sur
la
déformaFon
des
matériaux

137. Soit
l
’expérience
suivante
pour
déterminer
la
relaFon
entre
effort
de
tracFon
et
déformaFon
:
Pour
les
peFtes
déformaFons
la
relaFon
est
linéaire.
Jusqu’en
B
la
relaFon
est
dite
élasKque,
si
F
cesse
le
matériau
reprend
ses
dimensions
iniFales.
Ensuite,
la
déformaFon
s’accroît
rapidement.
Après
C
une
déformaFon
apparaît
même
si
F
est
moins
importante.
De
B
à
D
la
déformaKon
est
plasFque.

138. La
distance
entre
les
points
C
et
D
définit
le
comportement
à
la
rupture
en
tracFon
:
(a)
est
fragile
ou
cassant,
(b)
est
ducFle,
(c)
est
complètement
ducFle.
Influence
de
la
température

139. €
E =
σ
ε
avec
σ
la
contrainte
E
est
la
pente
de
la
droite
jusqu’au
point
A
Ex
:
le
Titane
TA6V,
matériau
homogène
a
Ecompression
=
EtracFon
=
10.5x1010
N.m-­‐2,
une
limite
de
résistance
à
la
rupture
en
tracFon
σmax=1.25x109
N.m-­‐2
l’os
fémoral
a
Ecompression
=
0.9x1010
et
EtracFon
=
1.6x1010
N.m-­‐2,
σmax
tracFon=0.12x109
et
σmax
compression=0.17x109
N.m-­‐2

140. C’est
le
loi
de
HOOKE,
valable
sur
la
parFe
linéaire
du
graphique
€
σ =
F
A
€
ε =
Δl
l
€
E =
σ
ε
Comme
:
Alors
:
€
F =
A.E.Δl
l
= k.Δl avec
k
constante
d’élasFcité
ou
constante
du
ressort

141. -­‐ NZ
:
neutral
zone,
très
peu
d’efforts
sont
fournis
pour
le
déformer
(heureusement!)
-­‐ EZ
:
elasFc
zone
>
NZ
et
EZ
sont
les
ordres
physiologiques
de
déformaFons
(mouvements)
-­‐ PZ
:
plasFc
zone,
appariFon
de
microtrauma
-­‐ Failure
:
rupture
du
ligament
ou
arrachement
de
son
inserFon
sur
l’os
AdaptaFon
aux
structures
du
rachis,
ici
les
ligaments

142. Exemples
numériques
pour
les
ligaments
les
plus
résistants
du
rachis,
au
niveau
lombaire
:
-­‐ALL
anterior
longitudinal
ligament
-­‐PLL
posterior
longitudinal
ligament
-­‐LF
ligamentum
flavum
-­‐CL
capsular
ligament
-­‐ISL
interspinous
ligament
-­‐SSL
supraspinous
ligament
!
Valeurs
dépendantes
de
:
in
vivo/in
vitro,
âge,
sport,
modificaFons
hormonales

143. Le ligament jaune contient une grande proportion d’élastine,
synthétisée aussi par les fibroblastes. Avec l’âge l’élastine tend à
être remplacée par du collagène.
Comportement
dynamique
du
ligament
jaune

144. Ex
ligament
jaune
cervical
normal
:
soumis
à
une
tension
de
repos
d’environ
18N
(strain
10%)
chez
le
jeune
>
permet
de
meVre
le
disque
en
compression
et
probablement
d’assurer
son
meilleur
rendement
>
évite
le
flambage
du
ligament
en
condiFon
d’extension
(persiste
une
tension
résiduelle
3%
voire,
au
moins
un
relâchement
peu
important
-­‐3%)

145. Cas
de
l’affaissement
des
disques
(dégénérescence)
:
perte
de
la
tension
résiduelle
du
ligament
jaune
>
n’est
plus
soumis
à
une
tension
en
extension
>
flambement
vers
le
canal
vertébral
>
risque
neurologique
médullaire

146. Ceci
est
vrai
aussi
au
niveau
du
rachis
lombaire
car
la
courbure
est
une
lordose

147. FoncFon
des
ligaments
2
ligaments
A
et
B
sont
insérés
en
P,
de
même
caractérisFques
mécaniques
mais
d’orientaFon
différentes
Un
mouvement
de
flexion
est
appliqué
sur
le
rachis
La
vertèbre
considérée
pivote
sur
un
centre
instantané
de
rotaFon
IAR
Lien
entre
anatomie
et
foncFon
d’un
ligament

148. La
foncFon
physiologique
d’un
ligament
dépend
:
-­‐ de
sa
posiFon
par
rapport
au
centre
instantané
de
rotaFon
:
point
d’inserFon
du
ligament
et
posiFon
de
l’IAR
(peut
changer
dans
des
condiFons
pathologiques)
-­‐ du
mouvement
intervertébral
(dans
cet
exemple
les
ligaments
n’ont
aucun
effet
lors
d’une
extension)
Le
bras
de
levier
sur
A
est
supérieur
à
celui
exercé
sur
B,
les
moments
sont
proporFonnels

149. Influence
du
mouvement
sur
la
foncFon
des
ligaments
rachidiens
lombaires
Panjabi
Spine
1982
l
:
le‡
r
et
RT
:
right

150. Synthèse
sur
la
foncFon
des
ligaments
:
-­‐ PermeVent
les
mouvement
harmonieux
intervertébraux
et
donc
de
la
colonne
vertébrale
avec
une
moindre
résistance
et
donc
une
faible
dépense
énergéFque
par
l’individu
-­‐ Limitent
les
mouvements
excessifs
non
physiologiques
et
absorbent
de
l’énergie
lors
d’un
traumaFsme
pour
protéger
le
système
nerveux

151. LES
MUSCLES

152. • Excitabilité
:
capacité
à
répondre
à
une
sFmulaFon
• ContracFlité
:
capacité
de
se
contracter
à
la
suite
d'une
excitaFon
convenable.
En
général
un
muscle
se
contracte
de
la
moiFé
de
sa
longueur
• Tonicité
:
capacité
de
conserver
un
certain
état
de
contracFon.
Responsable
du
tonus
musculaire,
de
la
posture.
• ElasFcité
:
capacité
à
s'éFrer.
Les
muscles
emmagasinent
ainsi
de
l'énergie
qu'ils
pourront
resFtuer
ultérieurement.
Les
muscles
locomoteurs
sont
les
plus
élasFques
• FoncFons
:
mainFen
de
la
posture,
producFon
de
mouvement,
de
chaleur
Propriétés

154. ModélisaFon
CC : composante contractile
GF : Générateur de force
CV : Composante visqueuse CES :
Composante élastique série
CEP : Composante élastique-parallèle.
Composante contractile dans les tirets
CC
CC est composée des sarcomères, produit la tension active du système
CV = résistance au mouvement des protéines d'actine et de myosine
GF = raccourcissement du sarcomère
CES = une partie passive représentée par les tendons et une partie active
localisée au niveau des ponts d'actine-myosine.
CEP = gaines de tissu conjonctif maintenant les fibres musculaires
(enveloppes fibrillaires, aponévroses, fascia), participe à la tension
passive

155. Facteurs
influençant
la
généraFon
de
force
la section physiologique ≈ 50 N.cm-2
le nombre de fibres musculaires
la structure du muscle (typologie des fibres)
l'angle de traction et le bras de levier
la coordination intra et inter musculaire
les facteurs psychologiques (la motivation, le
stress...)
Influence de la géométrie de la
colonne vertébrale : la lordose
lombaire prononcée « favorise »
le travail du muscle ilio-lombaire
(érecteur du rachis) par la
création de bras de levier

156. IV.
BIOMECANIQUE
DE
L’ENSEMBLE

157. Plan
I. Aperçu
de
la
colonne
vertébrale
a) Vues
d’ensemble
b) Rappels
d’anatomie
c) MensuraFons
II. Pièces
consFtuFves
a) Os
b) Système
nerveux
contenu
dans
la
colonne
vertébral
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
III. Biomécanique
propre
a) DéfiniFon
du
segment
mobile
rachidien
b) Os
c) Disques
d) Ligaments
e) Muscles
IV. Biomécanique
de
l’ensemble
a) Un
système
par
intégrité
de
tension
b) En
équilibre
c) Exemples
de
contraintes
supportées
par
le
rachis
lombaire
d) L’amorFssement
e) ModélisaFon

158. Les
foncFons
du
rachis
:
>
supporter
le
poids
et
les
forces
d’inerFe
>
protecFon
du
système
nerveux
>
permeVre
le
mouvement
>
amorFssement
des
chocs
lors
de
la
locomoFon
ApplicaFon
au
rachis
lombaire

159. UN
SYSTEME
PAR
INTEGRITE
DE
TENSION

160. NoFon
de
tenségrité
:
faculté
d'une
structure
à
se
stabiliser
par
le
jeu
des
forces
de
tension
et
de
compression
qui
s'y
réparFssent
et
s'y
équilibrent
hVp://co-­‐creaFon.net/architecture/livre-­‐1-­‐2.htm

161. Les
arFculaFons
sont
des
«
points
de
compression
»
au
milieu
«
d’un
océan
de
tension
»
assuré
par
les
ligaments
et
les
muscles

162. Maladie
de
Marfan
par
hyperlaxité
ligamentaire
Camptocormie
par
atrophie
des
muscles
érecteurs
du
rachis

163. La contre-pression intra-abdominale participe au maintien du rachis et
diminue la tension des muscles érecteurs de la colonne vertébrale

164. EN
EQUILIBRE

165. Les
paramètres
pelviens
Pente sacrée
Version pelvienne
Incidence pelvienne

166. 2/3 de la lordose
lombaire se situent sur
le segment L4-S1

167. Diagramme
de
Mme
DUVAL-­‐BEAUPERE
CorrélaFon
staFsFque
entre
les
paramètres
pelviens
et
les
courbures
rachidiennes

168. Type
1
et
2
:
faible
incidence
pelvienne
1>
apex
bas
en
L5
2>
apex
plus
haut
en
L3
Type
3
:
IP
env
45°
Type
4
:
hyperlordose
Les
types
de
dos
selon
ROUSSOULY
:
1,
3,
4
>
les
contraintes
en
compression
sont
plus
fortes
sur
les
faceVes
arFculaires
dans
la
région
lombaire
et
ne
sont
pas
seulement
liées
à
l’accumulaFon
du
poids
sus-­‐jacent
en
comparaison
aux
vertèbres
cervicales

169. Mécanismes
de
compensaFon
de
la
perte
de
lordose
lombaire

170. Disques
zygapophyses
et
ligaments
Contraintes
Équilibre
sagiVal
et
frontal
La
cascade
biomécanique

171. EXEMPLE
DE
CONTRAINTES
SUPPORTEES
PAR
LE
RACHIS
LOMBAIRE

172. Ex
:
L3
est
l’apex
de
ceVe
colonne
lombaire
:
supporte
tout
le
poids
du
corps
sus-­‐
jacent
CréaFon
d’un
moment
fléchissant
du
fait
de
son
retrait
par
rapport
à
la
verFcale
du
centre
de
gravité
Contraintes
staFques

173. L’acFon
stabilisatrice
des
muscles
nécessite
un
effort
moindre
grâce
au
bras
de
levier
qui
crée
un
Moment
favorable
Ce
bras
de
levier
dépend
de
l’importance
de
la
lordose

174. Les
contraintes
appliquées
sur
L3
sont
supérieures
au
seul
poids
du
corps
sus-­‐
jacent
compression
Cisaillement
Contrainte résultante

175. Limite physiologique en compression pure ; si > 6000 N lésion discale, si >
8000 N fracture du corps vertébral
Maxi
3000 – 6000 N

176. 10-20 kg
10 cm
En flexion l’unité fonctionnelle connaît une déformation plastique à
partir d’un Moment de 20 Nm, donc les muscles doivent agir en tant
que contre-couple

177. Influence
de
la
posiFon
sur
les
courbures
du
rachis
Variation associée de la
pression dans les deux
derniers disques
lombaires :
PA<PC<PB

178. Moments et flexion du rachis :
> dans le disque L5-S1 = 192.5 Nm
> le contre-couple des muscles
érecteurs du rachis pour un bras de
levier de 5 cm = 3850 Nm

179. Les
règles
d’hygiène
lombaire

180. Lift assist device and method

181. L’AMORTISSEMENT

182. Une même colonne avec les mêmes propriétés mécaniques, droite ou
avec courbures : pour une même charge appliquée au sommet, la
colonne avec courbures se déforme 150 fois plus

183. La déformation de la colonne vertébrale ainsi que l’énergie dissipée en
chaleur, essentiellement par les disques, permet d’amortir les chocs
lors de la locomotion

184. MODELISATION

186. P. ROUCH
L’analyse en éléments finis permet de créer un modèle de colonne
vertébral et de calculer les contraintes reçues par chaque structure
anatomique ou implant (ex : vis pédiculaire)
Voire mesures in vitro… http://orthoload.com/

187. Références
• NeVer
Atlas
of
human
anatomy
• Clinical
biomechanics
of
the
spine
• Clinical
Anatomy
of
the
Lumbar
Spine
and
Sacrum
• Basics
biomechanics
of
the
musculoskeletal
system
• ROUCH
Conférence
Société
d’Imagerie
Musculo-­‐
Squele‰que
l’Homme
debout
juin
2013
• DE
MAUROY
Biomécanique
des
déformaFons
vertébrales
2013
• InsFtut
de
Biomécanique
Humaine
Georges
Charpak