Rachis, 1993, vol. 5, n02

PERSPECTIVE

COMPORTEMENT BIO-MÉCANIQUE D'UN RESSORTINTER-APOPHYSAIRE VERTÉBRAL POSTÉRIEUR

ANALYSE EXPÉRIMENTALE DU COMPORTEMENT DISCAL ENCOMPRESSION ET EN FLEXION/EXTENSION

BIOMECHANICAL BEHAVIOUR OF POSTERIOR VERTEBRALINTER-APOPHYSE SPRING

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF DISCAL BEHAVIOUR lN COMPRESSIONAND lN FLEXION/EXTENSION

G.G. LAUDET*, J-F. ELBERG**, D. ROBINE ***

* ENSAM Paris - Laboratoire des Structures, 151 boulevard de l'Hôpital 75013 PARIS** 32 boulevard de Courcelles 75017 PARIS

*** Centre. du Rachis - Fond. la Montagne, 53 rue Victor Hugo 92400 Courbevoie

RESUME SUMMARY

Les auteurs ont effectué une expérimentation bio­mécanique afin d'étudier le comportement du rachislombaire après pose d'un stabilisateur vertébralpostérieur inter-épineux représenté par un ressorthélicoïdal. Ce ressort, en augmentant localement larigidité du rachis en compression et enflexion/extension, pourrait apporter une aide mécaniquelors des atteintes discales, en conservant la mobilitéglobale du rachis.

Mots clefs: Instabilité lombaire - Stabilisateur vertébral - Bio-mécanique.

lOI

The authors report an experimental study of themechanical properties of lumbar spinal segment with the"Posterior Vertebrae Stabilizer" as an spiral spring.

This spring increasing local rigidity of the spine incompression and flexion/extension motion could be amechanical help for degenerative or removal dise.

Keys words: Lumbar instability - Vertebral stabilizer - Biomechanical.

C.G. LAUDET, J.F. ELBERG, D. ROBINE

La dégénérescence du disque intervertébral entraîne unehypermobilité entre les vertèbres adjacentes. Il est probableque cette hypermobilité associée à des conditionsanatomiques particulières, orientation des articulaires,relâchement musculaire ... , soit à l'origine d'un certainnombre de lombalgies communes (4.6.7.14.16.17.18.20).

Le but de ce travail expérimental était de savoir si unsystème élastique post~rieur diamétralement opposé audisque par rapport au centre instantané de rotation desvertèbres, pouvait améliorer ou rétablir une mécaniquediscale normale.

PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL

Une étude bio-mécanique expérimentale a été menée surmachine d'essai Adamel Lhomargy, type DY 26, afin decontrôler le comportement vertébral en compression et enflexion/extension. Un montage spécifique a été réalisé à ceteffet. En compression simple, un prélèvement L3/L4/L5 surcadavre frais a été effectué, après retrait de toute massemusculaire. L'ensemble est alors positionné entre deuxplateaux contenant un métal à bas point de fusion.L'ensemble ainsi réalisé permet l'observation de la mobilitédiscale. Pour les essais en flexion/extension, l'un de ces

plateaux est équipé d'un système de bielle imposant lemouvement.

Détail des mesures locales.

102

Figure 1 :Position du Nucleus Pulposus au repos

Au repos: les capsules articulaires sont en léger cisaillement, le nucléus

pulposus est déplacé vers l'arrière.

Figure 2:Position du Nucleus Pulposus en charge

Sujet debout: les capsules articulaires sont soumises à la compression, lenucleus pulposus retourne en position. Le mur antérieur du disque estsoulagé.

Deux types de mesures sont envisagées dans notreexpérience:. des mesures globales avec et sans ressort, associées à desmesures locales à l'aide de broches vissées sur le mur

antérieur et postérieur vertébral,. une mesure par extensomètres a permis de définir dans leplan sagittal les variations des hauteurs discales pour lesdivers cas de sollicitations.L'ensemble des extensomètres est relié à une chaîne de

mesure RDP translog 500 permettant, par l'intermédiaired'un ordinateur, une visualisation en temps réel ducomportement extensométrique discal et un traitementdifféré des données.

C.G. LAUDET, J.F. ELBERG, D. ROBINE

Deux types de ressorts en Phynox de 2mm de section avecune hélice de 5°, un diamètre de 10mm de rigiditérespective de 35,1 N/MM et de 42,9 N/MM ont été

introduits entre les épineuses L4/L5 après ablation duligament inter-épineux et du ligament sur épineux et fixéspar des agrafes. Ces rigidités ayant pour but l'observationdu changement comportemental des disques vertébraux.Les rigidités choisies de manière intuitive, se sont révéléespar la suite de notre étude riches d'informations et nous ont

permis de quantifier un ressort calibré dont l'implantationdevrait soulager la douleur lombaire par compensation dudéficit discal.

CONSIDÉRATIONS ANATOMIQUESET BIO-MÉCANIQUES

11 x19 Hewton 1

69

59

39

29

19

1 x16-1 _m]

la 11 12

ETUDE DE LA COMPRESSIONVERTÉBRALE

Figure 5:Cyclage en compression avec ressort de rigidité 42.9 N/MM3 cycles de 0 à 700 Newton avec ressort inter-épineux 2.On note une rigidité accentuée car K2 > KI.

1 x19-1 .ml

9 19 Il84

19

1 x19 ".wton 1

Figure 4 :Cyclage en compression avec ressort de rigidité 35.1 N/MM.Cyclages jusqu'à 700 Newton

3 cycles consécutifs avec ressort inter-èpineux.

On note une rigidification dès le deuxième cycle puis une stabilisation.Vc = 1 MMIMN; Vr = 10 MM/MN

59

49

29

Je

69

Des essais statiques puis dynamiques ont été effectués : lesessais avec et sans ressort sont très reproductibles. Uneaugmentation de la rigidité a été observée dès les deuxpremiers cycles, le comportement se stabilise ensuite pourprésenter une parfaite reproductibilité (figures 3, 4 et 5).Les courbes de compression n'étant pas linéaires surl'ensemble L3. L4. L5, on définit deux types de rigidité:. une rigidité à faible charge de 0 à 200 newton,. une rigidité à forte charge de 400 à 700 newton.

1 x19-1 .m 1

29

49

35

39

25

19

5

1 xie Hewton 1

Le rôle du nucléus pulposus et du système capsulairearticulaire est fondamental dans le mécanisme vertébral.

L'essentiel du passage des efforts vertébraux s'effectue parle centre instantané de rotation situé en arrière du centre du

plateau vertébral. On conçoit aisément l'importance descapsules articulaires. La conception de Kapandji est unevue très simplifiée de la situation réelle. Les capsulesarticulaires, au niveau lombaire, sont soumises nonseulement à une rotation mais également à une doubletranslation qui peut intervenir aussi bien en compressionqu'en flexion/extension. L'action d'un ressort inter-épineuxpré-contraint permet en charge de rééquilibrer la vertèbresus-jacente de manière à renvoyer le nucléus pulposus versl'avant (figures 1 et 2), le mur antérieur du disque est alorsmoins comprimé limitant ainsi la fatigue discale(1.8.9.12.13.19.21) .

15

Figure 3:Cyclage en compression sur L3- L4- L5 sans ressort.Cyclage sur L3- L4- L5

3 cycles de 0 à 500 Newton Vc = 1 MM/MN; Vr = 10 MM/MN.

On note un raffermissement dès le deuxième cycle. Le troisième cyclereste inchangè par rapport au deuxième.Tènotomie des Lig. inter et sur épineux entre L4- L5 .

104

COMPORTEMENT BIO-MÉCANIQUE D'UN RESSORT INTER-APOPHYSAlRE VERTÉBRAL POSTÉRiEUR

_ RIGIDITE 0 A 200 N ~ RIGIDITE 400 A 700 N

EVOLUTION SOUS FAIBLE ET FORTE CHARGE

Figure 6:Analyse des rigidités globales en compression sous faible et forte charge.Vertèbres L3- L4- L5

Mesures des rigidités globalesSynthèse des rigidités ; L4 libre Tenotomie Lig.Inter et sur épineux L4­L5.

Ces rigidités globales (figure 6) sont moindres pour lesfaibles charges ressort en place. Au contraire, aux fortescharges, la rigidité est supérieure avec le ressort. Le bilanénergétique des deux ressorts isolés puis en position, nouspermet de conclure que le choix des deux ressorts encadrela dépense énergétique du rachis non prothésé, la rigiditéidéale sur pièces anatomiques est sans doute de 40 N/MM.En se rapprochant de l'énergie globale naturelle, lorsque leressort est en place, si le rapport énergétique est petit, onpeut supposer moins de complications arthrosiquescapsulaires. Les mesures locales (figures 7 et 8) montrenttout d'abord un chargement sur le mur antérieur du disquepuis un soulagement de celui-ci au profit du mur postérieurdont l'interligne reste légèrement au-dessus de celui dudisque non prothésé. Il y a donc soulagement global dudisque.

800

1000

200

400

600

oAVEC RESSORT 2AVEC RESSORT 1

oSANS RESSORT

RIGIDITE GLOBALE EN N/MM

800

800

200

400

1000

MESURES DE COMPRESSION DISCALES %"4

2

o

-2

-4

-8

-8-10

o 100 200 300 400 500 800 700

VALEUR DE CHARGE EN NEWTON

--H1 ---H3 ----H4 --><-H5

Figure 7:Mesures locales en compression, rachis non prothéséVertèbres L3- L4- L5 Compression sans ressort.Compression encastrée- encastrée L3-L5L4 libre Lig et S-Epi. L4 L5 coupe

4

2

o

-2-4

-6

-8

-10800

ETUDE DE LA FLEXION/EXTENSIONVERTÉBRALE

A l'aide du système de bielle permettant l'application d'uneforce sur le rachis, associée à un couple, nous avons puimprimer une flexion/extension au montage. En flexion,nous avons appliqué jusqu'à 300 newton pour un couple de10 N/M et en extension 450 newton pour un couple de 20N/M. On a pu observer grâce à ces types de chargementsdes variations angulaires du plateau supérieur de L3 de plusou moins 20°, la rigidité globale en flexion est moindre parrapport à l'extension (figures 9 et JO), l'action des ressorts àtendance à rigidifier le rachis dans les deux cas, les mesureslocales (figures Il, 12, 13) nous montrent bien lesoulagement discal.

DISCUSSION ET CONCLUSION

-7' ~ -7o 100 200 300 400 500 600 700 800

VALEUR DE CHARGE EN NEWTON

Les travaux que nous avons exposés semblent démontrerl'intérêt de la pose d'un ressort inter-épineux. Il s'agitnéanmoins de travaux préliminaires, purementexpérimentaux. Ce ressort semble augmenter localement larigidité du rachis en compression et en flexion/extension.Des mesures de rotation doivent être réaliséesultérieurement.

Les mesures locales que nous avons effectuées, nous ontpermis d'apprécier le pourcentage d'écrasement discal.L'application d'un tel ressort entraîne un soulagement discaltout en présentant une certaine mobilité. Le ressort permetégalement l'inflexion latérale. Nous avons de plus, constatéla bonne reproductibilité des phénomènes observés aucours des nombreux essais de cyclage que nous avonseffectués tant en compression qu'en flexion/extension.

o

-5-6

,,----

.MESURES DE COMPRESSION DISCALES %o

-1-2

-3

-4

-5

-6

Figure 8:Mesures locales en compression, rachis prothèsé. Vertèbres L3- L4- L5Compression avec ressortCompression encastrée- L3- L5L4 libre Lig. et S.- Epi. L4 L5 coupe

105

c.G. LAUDET, J.F. ELBERG, D. ROBINE

· MAXI

MINI

INFLUENCE DES RESSORTSo 10 20 30 40 60 60

81,78··;ili~s:gr,:::W::ill:::,*~:::1:::::$::::r:( 81,sa

ECRASEMENT DISCAL EN %20 20

o

-10

-20

-30

MOYENNE 00,4

o 10 20 30 40 60 60RIGIDITES GLOBALES EN N/MM

_ SANS RESS, ~ !NEC RESSORT 1

l5lITlI AVEC RESSORT 2

-40o 100 200 300 400 600 600 700

VALEUR DE CHARGE EN NEWTON

--Hl -+-H2 -6-H4 --*-H6

-40600

COMPORTEMENT BIO-MÉCANIQUE D'UN RESSORT INTER-APOPHYSAlRE VERTÉBRAL POSTÉRIEUR

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