Einleitung: Der Verdacht, dass Hunde mit einem Bandscheibenvorfall eine Prädisposition für die Entstehung einer Pankreatitis haben könnten, wurde in der Veterinärmedizin bereits in den frühen 1980er Jahren diskutiert. Trotz dieser bereits vor vielen Jahren erhobenen Vermutungen, wurde der Zusammenhang zwischen der Entstehung einer Pankreatitis und einem zeitgleich vorliegenden Bandscheibenvorfall auch im Hinblick auf mögliche Risikofaktoren wie dem Einfluss der Narkose oder dem Einsatz von Medikamenten (v. a. Glukokortikoide und nichtsteroidale Antiphlogistika) bisher nicht näher untersucht. Ziele der Untersuchungen: Im Rahmen der vorliegenden prospektiven Studie sollte untersucht werden, ob Bandscheibenvorfälle ein Risikofaktor für die Entstehung einer Pankreatitis beim Hund darstellen. Ferner sollte geklärt werden, ob die Narkose und die Gabe von Glukokortikoiden und/oder nichtsteroidalen Antiphlogistika zusätzlich das Risiko der Entstehung einer Pankreatitis bei Hunden mit einem Bandscheibenvorfall erhöhen. Material und Methoden: Insgesamt wurden 106 Hunde, bei denen aufgrund der klinischen Symptome der Verdacht einer Rückenmarksläsion bestand, an fünf aufeinander folgenden Tagen klinisch untersucht. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf Symptome gelegt, welche typischerweise bei Pankreatitiden zu beobachten sind (reduziertes Allgemeinbefinden, Schwäche, Anorexie, dolentes Abdomen, Vomitus, Regurgitieren, Diarrhoe, Fieber, Dehydratation). Ferner wurde am Tag 0 und Tag 4 der stationären Aufnahme die Konzentration der caninen pankreasspezifischen Lipase im Serum gemessen (Spec cPL und Snap cPL). Am Tag 0 wurde von dem Vorliegen einer Pankreatitis ausgegangen, wenn klinische Befunde im Sinne einer Pankreatitis sowie eine abnorm erhöhte Konzentration der caninen pankreasspezifischen Lipase im Serum (>400 μg/L) auffällig waren. Am Tag 4 erfolgte zudem eine sonographische Untersuchung des Abdomens. Somit basierte die Diagnosestellung einer Pankreatitis an diesem Tag auf dem Vorliegen von zwei der folgenden drei Kriterien: klinische Befunde im Sinne einer Pankreatitis, abnorm erhöhte Konzentration der caninen pankreasspezifischen Lipase im Serum, sonographische Hinweise für das Vorliegen einer Pankreatitis. Im Rahmen der statistischen Auswertung wurden zudem auch Patienten erfasst, welche in einem oder in mehreren der oben genannten Kriterien ein fragliches Ergebnis aufwiesen. Entsprechend ihrer neurologischen Ausfallserscheinungen sowie der Befunde im Rahmen der bildgebenden Diagnostik (Myelographie, Computertomographie, Kernspintomographie) wurden die Patienten in eine der folgenden drei Untersuchungsgruppen eingeteilt: 1. Hunde mit einem chirurgisch versorgten Bandscheibenvorfall (n = 71) 2. Hunde mit einem konservativ therapierten Bandscheibenvorfall (n = 20) und 3. Hunde mit einer akuten intramedullären Läsion (n = 15). Die statistische Auswerte erfolgte aufgrund der geringen Stichprobengrößen vorwiegend deskriptiv. Die Daten wurden mittels des Shapiro-Wilk-Tests auf Normalverteilung überprüft, die durchgeführten Gruppenvergleiche erfolgten unter Verwendung des Kruskal-Wallis und Mann-Whitney-U-Tests. Zudem wurden die betrachteten Merkmale mit dem Fisher Test und dem Chi-Quadrat-Test auf Unabhängigkeit überprüft. Das Signifikanzniveau wurde für alle Tests mit p < 0,05 festgelegt. Ergebnisse: Basierend auf den klinischen Symptomen und der Konzentration der caninen pankreasspezifischen Lipase im Serum konnte insgesamt am Tag 0 bei vier Hunden (3,8 %) eine Pankreatitis diagnostiziert werden. Am Tag 4 waren es, basierend auf den drei Kriterien, welche für die Diagnosestellung einer Pankreatitis herangezogen werden, insgesamt acht Patienten (7,5 %). Hunde mit einem Bandscheibenvorfall (chirurgisch beziehungsweise konservativ therapiert) wiesen am Tag 0 beziehungsweise Tag 4 in 4,3 % (n = 4) beziehungsweise 7,7 % (n = 7) der Fälle eine Pankreatitis auf. Aufgrund der geringen Häufigkeiten in den einzelnen Untersuchungsgruppen, war eine Berechnung eines signifikanten Unterschieds zwischen den Gruppen nicht möglich. Hinsichtlich einer möglichen Korrelation zwischen einer Narkose und der Entstehung einer Pankreatitis bei Hunden mit einer Rückenmarksläsion konnte kein signifikanter Zusammenhang festgestellt werden. Auch die Gabe von Glukokortikoiden und/oder nichtsteroidalen Antiphlogistika hatte hier keinen signifikanten Einfluss auf die Entstehung einer Pankreatitis. Schlussfolgerung: Vergleicht man die Ergebnisse der vorliegenden Studie mit der in der Literatur angegebenen Prävalenz für akute Pankreatitiden beim Hund (0,7-3,5 %), so kann geschlussfolgert werden, dass eine Rückenmarksläsion, insbesondere ein Bandscheibenvorfall, als Risikofaktor für die Entstehung einer akuten Pankreatitis beim Hund in Betracht gezogen werden muss. Demgegenüber erhöhen weder die Narkose noch die Gabe von Glukokortikoiden und/oder nichtsteroidalen Antiphlogistika zusätzlich das Risiko der Entstehung einer Pankreatitis bei Hunden mit einer Rückenmarksläsion. / Objective: The suspicion that dogs with intervertebral disc disease are at greater risk of developing pancreatitis is being discussed in veterinary medicine since the early 1980s. So far no study has been published examining the correlation between intervertebral disk disease and the development of pancreatitis in dogs, especially in combination with general anaesthesia and anti-inflammatory medication (glucocorticoids and/or nonsteroidal anti-inflammatory drugs). The aim of this study was therefore 1) to evaluate intervertebral disk disease as possible risk factor of pancreatitis and 2) to ascertain if general anaesthesia and the administration of glucocorticoids and/or nonsteroidal anti-inflammatory drugs further increase the risk of pancreatitis in dogs with intervertebral disk disease. Material and methods: One hundred and six dogs with symptoms associated with spinal cord injury were clinically examined over a period of five days. Special attention was payed to symptoms usually seen with pancreatitis such as anorexia, vomitus and abdominal pain. Furthermore the concentration of canine pancreatic lipase in the blood serum was measured with Spec cPL and Snap cPL at day 0 and day 4 after admission. At day 0 the diagnosis of pancreatitis was based on clinical symptoms associated with pancreatitis in combination with an increased concentration of canine pancreatic lipase in the blood serum (>400 μg/L). A sonography of the pancreas was performed at day 4 to evaluate the organ itself and the surrounding tissue for lesions associated with pancreatitis. Therefore the diagnosis of pancreatitis at day 4 was based on positive results in at least two of the three following criteria: symptoms associated with pancreatitis, elevation of the concentration of canine pancreatic lipase in the blood serum, sonographic changes of the pancreas parenchyma and the surrounding tissue associated with pancreatitis. For statistical analysis questionable results in one or more of these criteria were also documented. According to the neurologic symptoms and the findings of diagnostic imaging (myelography, computed tomography and magnetic resonance imaging), dogs were categorized in one of the following groups: 1. dogs with surgically treated intervertebral disk disease (n = 71), 2. dogs with medically treated intervertebral disk disease (n = 20), 3. dogs with an acute intramedullary lesion (n = 15). Due to the small sample size, statistics were primarily performed descriptively. Data were tested for normal distribution using the Shapiro-Wilk test. If Group comparisons were feasible, they were performed using the Kruskal-Wallis test and the Mann-Whitney-U test. Fisher test and the Chi-Square test were used to test for association between group affiliation and possible risk factors for the development of pancreatitis. A value of P < 0.5 was considered significant for all analysis. Results: Based on clinical symptoms and an elevated concentration of the canine pancreatic lipase (> 400μg/l) at day 0, four dogs (3.8 %) were diagnosed with pancreatitis. According to the clinical symptoms, the concentration of the canine pancreatic lipase and sonographic changes, a total number of eight dogs (7.5 %) were diagnosed with pancreatitis at day 4. Considering only the dogs with intervertebral disk disease (surgically and medically treated) 4.3 % (n = 4) and 7.7 % (n = 7) were diagnosed with pancreatitis at day 0 and day 4, respectively. Due to the small sample size, the calculation of significant differences between the three subgroups was not feasible. There was no significant correlation between general anaesthesia and the development of pancreatitis. Furthermore, the administration of glucocorticoids and/or nonsteroidal anti-inflammatory drugs is not significantly associated with the genesis of pancreatitis.

Degenerated intervertebral discs (IVDs) were treated with autologous adipose-derived stem cells (ASC) loaded into an injectable collagen scaffold in a sheep model to investigate the implant's therapeutic potential regarding the progression of degeneration of previously damaged discs. In this study, 18 merino sheep were subjected to a 3-step minimally invasive injury and treatment model, which consisted of surgically induced disc degeneration, treatment of IVDs with an ASC-loaded collagen hydrogel 6 weeks post-operatively, and assessment of the implant's influence on degenerative tissue changes after 6 and 12 months of grazing. Autologous ASCs were extracted from subcutaneous adipose tissue and cultivated in vitro. At the end of the experiment, disc heights were determined by µ-CT measurements and morphological tissue changes were histologically examined.Histological investigations show that, after treatment with the ASC-loaded collagen hydrogel implant, degeneration-specific features were observed less frequently. Quantitative studies of the degree of degeneration did not demonstrate a significant influence on potential tissue regeneration with treatment. Regarding disc height analysis, at both 6 and 12 months after treatment with the ASC-loaded collagen hydrogel implant a stabilization of the disc height can be seen. A complete restoration of the intervertebral disc heights however could not be achieved.The reported injection procedure describes in a preclinical model a translational therapeutic approach for degenerative disc diseases based on adipose-derived stem cells in a collagen hydrogel scaffold. Further investigations are planned with the use of a different injectable scaffold material using the same test model.

Thesis (MScEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2007. / This thesis is concerned with the simulation of the in vivo biomechanical performance of a cervical disc replacement. A representative (averaged) maximum range of motion (ROM), determined by measurement of 10 student participants (5 male, 5 female), was used as head motion input to a simulation model of the cervical spine containing a disc implant at the C5/C6 intervertebral level. Intradiscal pressure, relative applied force on the C5 vertebrae, bending moments and vertebral rotations were recorded. The force and motion components of the results obtained were critically evaluated against the ISO and ASTM experimental protocol standards, probing the representativeness of these standards to the actual in vivo behaviour of the cervical functional spinal unit. Further, the wear resulting from a lifetime (10 million cycles) of the ISO prescribed -and simulation determined input cycles was simulated using a linear wear model with a triangulation technique for volume lost due to wear, and compared to in vitro results in the literature. The inputs used for the wear model were determined from a validated non-linear static contact finite element method (FEM) model. The simulation “chain” shows great potential as a comparative tool for the preexperimental testing of spinal implant designs and may be used with relative success as an alternative to expensive prototype testing.

La dégénérescence discale est généralement considérée comme le résultat de l'insuffisance chronique de la nutrition de ses cellules due à un déficit du renouvellement de la matrice extra-cellulaire. Des chargements mécanique excessifs et répétés sont parmi les principales causes créant des lésions dans les disques et à terme précipitent la dégénérescence discale. En modélisant le fonctionnement multi-physique du disque par un modèle quadriphasique couplé à un modèle métabolique des cellules, l'objectif de ce travail est d'aider à une meilleure compréhension du fonctionnement discal. Puis par une approche numérique, le lien entre sollicitation mécanique, nutrition et dégénérescence est étudié. Dans un premier temps, le disque a été représenté en 2D. L'effet d'un cycle nycthéméral simplifié sur les paramètres osmotico-mécaniques et nutritionnels du disque lombaire d'un sujet de corpulence normale et d'un sujet en surpoids ou portant des charges a alors été analysé. Dans un second temps, à travers une approche 3D, l'influence sur la fonction discale de mouvements rapides associés à la vie quotidienne, telles qu'une flexion, une flexion latérale et une rotation axiale, a été quantifiée. En outre, pour ces deux approches, une étude comparative a été réalisée afin d'étudier l'influence réelle de la convection par rapport à la diffusion dans le transport des nutriments. Ainsi, ce travail constitue une contribution à une meilleure compréhension de l'évolution spatiale et temporelle des nutriments et des paramètres osmotico- mécaniques du disque intervertébral, lorsque ce dernier est soumis à différents types de chargements. / Disc degeneration is generally regarded as the result of chronic insufficiency of cell nutrition due to a lack of renewal of the extracellular matrix. Excessive and repeated mechanical loads are among the leading causes of injury in the disc and eventually precipitate disc degeneration. By modeling the multi-physics functioning of the disc by a quadriphasic model coupled with a metabolic model, the aim of this work is to contribute to a better understanding of the disc functions. With a numerical approach, the relationship between mechanical stress, nutrition and degeneration is studied. The disc was first represented in 2D. The effect of a simplified circadian cycle on the osmotico-mechanical and nutritional parameters of lumbar disc of a normal weight and overweight (or carrying loads) subjects was then analyzed. After that, through a 3D approach, the influence of the disc function towards rapid movements such as bending, lateral bending and axial rotation was quantified. In addition to these two approaches, a comparative study was conducted to investigate the real influence of convection compared to diffusion in the transport of nutrients. This work contributed to a better understanding of the spatial and temporal evolution of nutrients and osmotico-mechanical parameters of the intervertebral disc when it is subjected to different loadings.

Pathologische Veränderungen der Wirbelsäule können zur Verkleinerung der Foramina intervertebralia der Halswirbelsäule sowie zur Verkürzung der Abstände zwischen den Dornfortsätzen der Brustwirbelsäule führen. Eine Veränderung der Kopf-Hals-Haltung kann ebenfalls die Dimension der Foramina intervertebralia sowie die Abstände zwischen den Dornfortsätzen beeinflussen. Die Bestimmung des Einflusses der Kopf-Hals-Haltung auf die genannten Parameter bei der radiologischen Darstellung der Wirbelsäule war deshalb das Ziel der vorliegenden Arbeit. In drei unterschiedlichen Kopf-Hals-Haltungen wurde die Halswirbelsäule von 25 klinisch unauffälligen Pferden im laterolateralen Strahlengang dargestellt. Laterolaterale Röntgenaufnahmen der Brustwirbelsäule von 23 Pferden ohne klinische Anzeichen einer Erkrankung der Wirbelsäule wurden ebenfalls in drei verschiedenen Kopf-Hals-Haltungen angefertigt. Die Auswertung dieser Aufnahmen erfolgte mit Hilfe von neu entwickelten Messmethoden, die eine hohe Reproduzierbarkeit aufwiesen. Auf den Aufnahmen der Halswirbelsäule wurde die Länge der Wirbelkörper und die Dimension der Foramina intervertebralia bestimmt. Zusätzlich wurden die Winkel zwischen angrenzenden Halswirbeln ermittelt. Der Abstand zwischen benachbarten Dornfortsätzen sowie die Breite der Dornfortsätze wurden für die Auswertung der Aufnahmen der Brustwirbelsäule gemessen. Für eine exaktere Auswertung der Aufnahmen der Brustwirbelsäule wurde ein spezieller Bildfilter entwickelt, der durch eine bessere Detailerkennbarkeit zu einer genaueren Messung der Streckung führte. Sowohl für die Breite der Dornfortsätze als auch für die Länge der Wirbelkörper der Halswirbel konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Röntgenaufnahmen in den verschiedenen Kopf-Hals-Haltungen gefunden werden. Beide Strecken dienten zur Überprüfung des Versuchsaufbaus, um andere Ursachen für eine unterschiedliche Größe der Messstrecken auszuschließen. Die Foramina intervertebralia waren bei tiefer Kopf-Hals-Haltung signifikant größer als bei den anderen beiden Kopf-Hals-Haltungen (p < 0,05). Zwischen hoher und physiologischer Kopf-Hals-Haltung stellten sich nur die Foramina intervertebralia zwischen sechstem und siebten Halswirbel unterschiedlich groß dar (p < 0,05). Die Abstände zwischen angrenzenden Brustwirbeln waren vom achten bis zum vierzehnten Dornfortsatz in tiefer Kopf-Hals-Haltung größer als in den beiden anderen Kopf-Hals-Haltungen (p < 0,05). Diese Abstände nahmen insgesamt von kranial nach kaudal ab (p < 0,05) ab. Der zwölfte Dornfortsatz diente dabei zur Identifizierung der anderen, da er sich signifikant von den schmaleren kranialen und den breiteren kaudalen Dornfortsätzen unterschied (p < 0,01). Die Kopf-Hals-Haltung während der radiologischen Untersuchung beeinflusst sowohl die Dimension der Foramina intervertebralia als auch den Abstand zwischen den Dornfortsätzen. Deshalb sollte diese bei der Auswertung radiologischer Aufnahmen immer berücksichtigt werden. Die Foramina intervertebralia stellten sich bei tiefer Kopf-Hals-Haltung am größten dar und können somit in dieser am besten beurteilt werden, jedoch kommt es zu einer Veränderung der Anordnung der Wirbel, so dass diese nur noch eingeschränkt beurteilt werden können. Eine tiefe Kopf-Hals-Haltung führt zur Vergrößerung der Abstände zwischen den Dornfortsätzen und kann somit die Beurteilung von Röntgenaufnahmen der Brustwirbelsäule, gerade im Rahmen einer Kaufuntersuchung, beeinflussen. Die Kopf-Hals-Haltung bei der Anfertigung von Röntgenaufnahmen der Wirbelsäule sollte standardisiert werden, um durch verbesserte Vergleichbarkeit Manipulationen und Fehlinterpretationen einzuschränken. / Pathological changes of the spine can lead to reduction of the intervertebral foramina dimensions in the cervical spine and to shortening of the distances between the spinous processes in the thoracic spine. However, alteration of the head and neck position influences the dimensions of the intervertebral foramina as well as the distances between the spinous processes. Determining the influence of the head and neck position on these parameters during radiological examination of the equine spine was the aim of this study. In three different head and neck positions lateral-lateral views of the cervical spine in 25 clinically sound horses were radiographically obtained. Lateral-lateral radiographs of the thoracic spine from 23 horses lacking clinical signs of spine diseases were taken in three different head and neck positions. Evaluation of the radiographs was carried out with newly developed measurement techniques providing high reproducibility. On the radiographs of the cervical spine the length of the vertebral bodies and the dimension of the intervertebral foramina were measured. Additionally, the angles between adjacent cervical vertebrae were determined. The distances between adjacent spinous processes and the width of the spinous processes were measured for evaluating the radiographs of the thoracic spines. For a more accurate evaluation of the thoracic spine radiographs a purpose-built image filter was developed, which provided more accurate measurement of the distances through better detail recognition. No significant differences were found for the width of the spinous processes of the thoracic vertebrae and the length of vertebral bodies of the cervical vertebrae between the radiographs taken in the three different head and neck positions. Both these distances were used to verify the experimental set-up to rule out other causes for differences in the measured distances. The intervertebral foramina were significantly wider in the low head and neck position than in the other two head and neck positions (p < 0.05). Between the high and the free head and neck position only the intervertebral foramina of the sixth and seventh cervical vertebrae showed different dimensions (p< 0.05). The distances between the adjacent thoracic vertebrae from the eighth to the fourteenth spinous processes were wider in the low head and neck position compared to the other two head and neck positions (p < 0.05). Altogether, these distances decreased from cranial to caudal (p < 0.05). The twelfth spinous process served for numerical identification of the other spinous processes due to its significant difference in width to the narrower cranial and broader caudal spinous processes (p < 0.05). The head and neck position during radiographic examination influences the dimensions of the intervertebral foramina as well as the distances between the spinous processes. Therefore, it should always be considered when evaluating radiographs. In the low head and neck position the intervertebral foramina turned out to be the widest and could be best assessed. However, this resulted in changes to the alignment of the vertebrae and therefore a limited assessment. A low head and neck position leads to an increase in the distances between the spinous processes and could influence the evaluation of radiographs especially if these are taken as part of a pre-purchase examination. During the radiographic examination of the spine the head and neck position should be standardised in order to reduce manipulation and misinterpretation through better comparability of such radiographs.

Le disque intervertébral est principalement composé de deux types de tissu : le nucleus pulposus au centre contenu par l'annulus fibrosus en périphérie.Le nucleus est relativement bien décrit dans la littérature contrairement à l'annulus dont la constitution bi-phasique couplée à une structure à fibres orientées reste délicate à modéliser. La caractérisation hydro-chimio-mécanique représente un point clé dans la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement de l'organe.Pour répondre au manque d'information, deux axes de travail sont mis en place : expérimental et numérique.La réalisation de tests de traction cyclique associés à des techniques de corrélation d'images permet de fournir une base de données complète du comportement.Elle est ensuite utilisée pour identifier un modèle hydro-chimio-mécanique qui traduit le comportement non-linéaire, anisotrope, dissipatif ainsi que la sensibilité aux variations d'environnement chimique du tissu observés expérimentalement.L'intérêt majeur de cette méthode est l'identification simultanée de l'ensemble des paramètres du modèle au cours de sollicitations proches des conditions physiologiques sur chacune des éprouvettes.Ce protocole réduit ainsi les incertitudes liées aux variabilités inter-individus et inter-localisations pour obtenir des valeurs de paramètres plus fiables.La formulation identifiée permettra de proposer un modèle compréhensif des transferts de fluide impliqués dans les processus de nutrition cellulaire.Ce sujet s'intègre dans une réflexion plus large relative à la compréhension des couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques.L'enjeu est de quantifier l'impact des stimuli mécaniques sur l'évolution des tissus humains et leur adaptation aux conditions environnementales. / Intervertebral disc is mainly divided into two parts : nucleus pulposus surrounding by annulus fibrosus.Nucleus is relatively well described in literature, on the other hand annulus remains difficult to model due to its bi-phasic constitution coupled with an oriented fibres structure.Hydro-chemo-mechanical characterization represent a key point to reach a better understanding of this organ.To overcome this lack of knowledge, two axes are developed in this work : experimental and numerical.Cyclic tensile tests associated to digital image correlation techniques allow to obtain a large amount of data on global tissue behaviour.It permit to identify a hydro-chemo-mechanical model which takes in account the non-linear, anisotropic and dissipative behaviours.It also highlights sensibility to chemical variations in tissue environment observed experimentally.The most important point of this work is the simultaneous parameter identification performed on each sample during solicitations similar to in vivo conditions.This protocol reduce inter-individuals and inter-localisations discrepancies and leads to an accurate bundle of parameters.The formulation aims to accurately model fluid motion inside intervertebral disc tissues which is related to cell nutrition, growth and homoeostasis.This work is involved in a larger problematic about hydro-chemo-mechanical coupling within biological tissues.It will allow to quantify mechanical stimuli influence on human tissues evolution and adaptation to environment conditions.

La dégénérescence des disques intervertébraux (DD) est un processus naturel qui touche une grande partie de la population. Toutefois, elle peut devenir pathologique et ainsi être accélérée par de multiples facteurs et conduire à un dysfonctionnement précoce des disques lombaires. La DD est un phénomène asymptomatique, ce qui le rend délicat à diagnostiquer précocement. Dans ce cadre, le présent travail vise à développer une méthodologie de diagnostic de la DD utilisant imagerie médicale et modélisation biomécanique.Les disques intervertébraux (DIV) sont des articulations fibro-cartilagineuses qui lient les vertèbres du rachis entre elles. Ils ont pour rôle de supporter et redistribuer les chargements appliqués au rachis tout en assurant sa mobilité. Le DIV peut être assimilé d’un point de vue mécanique à un milieu poreux biologique dont le squelette est formé par la matrice extracellulaire (MEC) et la phase fluide par son contenu hydrique. C’est un milieu hétérogène et anisotrope. Possédant une pression osmotique interne élevée, les DIV ne sont pas vascularisés et possèdent un contenu hydrique important dans lesquels les nutriments cellulaires diffusent à partir des vertèbres adjacentes. Cette particularité rend le fonctionnement des disques très dépendant de la régulation en eau en particulier lorsque ces derniers sont soumis à des sollicitations mécaniques non physiologiques.L’une des clés dans l’élaboration d’un diagnostic fiable de la DD peut être de déterminer de manière objective certaines des caractéristiques internes au disque relatives à son hydratation. Dans le présent travail, une méthodologie de diagnostic quantitatif de la viabilité discale et plus largement de la DD est ainsi proposée. Cette méthodologie se base sur un couplage entre l’imagerie médicale et l’analyse par modélisation du comportement biomécanique du DIV. Un modèle physique biphasique du DIV est développé à l’aide de données déduites d’images IRM. Ce modèle tient compte de l’anisotropie du DIV et des effets induits par les déformations mécaniques sur le processus de transport nutritif.La partie mécanique du modèle est tout d’abord validée en utilisant des résultats d’essais de relaxation réalisés précédemment par l’équipe de biomécanique d’IRPHE. Le modèle est à même de reproduire la distribution de la porosité à l’intérieur du DIV et la perte d’eau suite à un effort mécanique. Cela permet de confirmer la fiabilité de la méthodologie de diagnostic développée pour les cas étudiés. En intégrant le couplage mécano-métabolique, la réponse biomécanique du DIV à des chargements quasi statiques et cycliques est ensuite analysée. / Intervertebral disc degeneration (DD) is a natural process affecting a large part of the population. However, it can be accelerated by several factors and then become associated to lumbar disc pathologies. Given that the DD is symptomless, it is complicated to diagnostic it early. In this context, the present work aims to develop a new methodology of DD diagnostic based on medical imaging and biomechanical modeling.The intervertebral discs (IVD) are fibro-cartilaginous joints that connect vertebrae together ensuring their relative motion. They support and distribute loads applied on the spine. Mechanically, the IVD can be assimilated to a biological porous media in which the solid phase is composed of the extracellular matrix (MEC) and the fluid phase is formed by water content. It is a non-homogeneous and anisotropic component. The IVD is nonvascularized and characterized by a high water content in which cell nutrients diffuses from the adjacent vertebrae. Given this latter particularity, the porosity of the IVD presents a key factor in in its functioning especially when exposed to mechanical non-physiological loads. One of the main keys in the elaboration of a reliable DD diagnostic is to determine objectively some of the IVD interne properties related to its water content. In the present work, a new quantitative methodology of DD diagnostic is proposed. This method is based on a coupling between the medical imaging and the IVD biomechanical behavior modeling. A biphasic IVD model is developed using data from MRI imaging. This model takes into account the anisotropy of the IVD and the effect of the mechanical deformation on the nutrient transport process.The mechanical part of the developed model was firstly validated using results of relaxation tests previously performed by the biomechanics staff of IRPHE. The model is able to predict water distribution within the IVD and the water loss as response to a mechanical load. These results confirm the reliability of the developed diagnostic methodology for the studied cases. The biomechanical response to quasi-static and cyclic loads is then analyzed. The present work proposes and evaluates a new methodology of DD quantitative diagnostic. It also analyzes and compares mechanical and metabolic responses to quasi-static and cyclic loads.

Abstract Earlier studies on lumbar degenerative imaging findings in magnetic resonance imaging (MRI) have been done mainly in adult populations and the associations of degenerative findings with low back pain (LBP) are controversial. Only a few studies have involved adolescents and young adults. Heritability has been acknowledged as the only explicit risk factor of disc degeneration (DD). This study investigated the prevalence and environmental determinant of lumbar degenerative findings in MRI and their association with low back symptoms among young adults. The data were based on two physical assessments, three questionnaires and one lumbar MRI that were executed on members of the Oulu Back Study (n=558), a subsample of Northern Finland Birth Cohort 1986, between 16 and 21 years of age. Prevalences of lumbar DD (54%), bulging (25%), protrusion (18%) and Schmorl’s node (17%) were high, whereas other degenerative findings were rare among young adults. Males had higher prevalence of DD and Schmorl’s nodes than females. DD and herniations were associated with low back symptoms. On the other hand, symptoms were present among subjects without DD or other abnormal findings on MRI. Of the environmental determinants, high body mass index and MRI-based obesity measurements of visceral adiposity were associated with lumbar DD among males. Waist circumference and smoking showed a comparable association with DD among males, but the level of physical activity was not associated with DD in either gender. Low back symptoms are more common among young adults with a higher degree of DD or presence of disc herniation. Smoking and overweight are associated with lumbar DD among young male adults. / Tiivistelmä Aikaisempia tutkimuksia magneettikuvantamisella (MK) todetuista lannerangan rappeumamuutoksista ja niiden yhteyksistä alaselkäkipuun on tehty lähinnä aikuisväestöllä ja tulokset ovat ristiriitaisia. Vain muutamia tutkimuksia on tehty alle 25-vuotiailla. Välilevyrappeuman mahdollisista riskitekijöistä vain perimästä on vahvaa näyttöä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin MK:lla todettujen lannerangan rappeumamuutosten esiintyvyyttä, niihin vaikuttavia ympäristötekijöitä ja yhteyttä alaselkäoireisiin nuorilla aikuisilla. Tutkimuksen aineisto perustui kahteen kliiniseen tutkimukseen, kolmeen kyselyyn ja yhteen MK:een, jotka toteutettiin Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1986:een kuuluville Oulun selkätutkimuksen koehenkilöille (n=558) 16-21 vuoden iässä. Lannerangan välilevyrappeumalla (54 %), välilevyn pullotuksilla (bulge; 25 %), sellaisilla välilevyn pullistumilla jotka eivät läpäisseet selkärangan takimmaista pitkittäissidettä (protruusio; 18 %) sekä päätelevyn läpi suuntautuvilla välilevyn pullistumilla (Schmorlin keräset; 17 %) oli korkea esiintyvyys nuorilla aikuisilla, kun taas muut kuvantamislöydökset olivat harvinaisia. Välilevyrappeuma ja Schmorlin keräset olivat yleisempiä miehillä. Sekä välilevyrappeuma että pullistumat olivat yhteydessä alaselkäoireisiin molemmilla sukupuolilla, mutta kaikilla oireisilla ei todettu poikkeavia löydöksiä MK:ssa. Ympäristötekijöistä korkea kehon painoindeksi ja MK:sta mitatut rasvan määrää mittaavat muuttujat olivat miehillä yhteydessä välilevyrappeumaan. Miehillä vyötärönympärys ja tupakointi olivat heikommin yhteydessä välilevyrappeumaan, kun taas liikunta-aktiivisuus ei ollut kummallakaan sukupuolella yhteydessä rappeumaan. Alaselkäoireet ovat yleisempiä nuorilla aikuisilla, joilla on vaikea-asteisempi välilevyrappeuma tai välilevyn pullistuma. Tupakointi ja ylipaino ovat yhteydessä lannerangan välilevyrappeumaan nuorilla aikuisilla miehillä.

The intervertebral disc (IVD), situated between adjoining vertebrae, consists of the gelatinous nucleus pulposus (NP) in the centre surrounded by the tougher annulus fibrosus (AF). Its main roles are to distribute loads and to act as joints. With aging, degenerative disc disease (DDD) occurs due to an imbalance in anabolic and catabolic events in the IVD, which results in a loss of function. Lower back pain (LBP) affects 84% of people at some point in their lifetime and is strongly associated with DDD. Current LBP treatments have limited long term efficacy and are symptomatic rather than curative. Cell-based therapies are regarded to hold great potential for the treatment of DDD as it has been hypothesised that they could regenerate the damaged tissue and alleviate LBP. A number of natural and synthetic biomaterials have been investigated as NP tissue engineering scaffolds with varying results. In this study, a self assembling peptide hydrogel (SAPH) was investigated for its potential as a cell carrier and/or scaffold for NP tissue engineering. SAPHs display the advantages of natural polymer hydrogels such as biocompatibility and biodegradability whilst combining the advantages of synthetic materials such as controlled structural and mechanical propertiesCharacterisation determined that the SAPH nanofibrous architecture had features that were of similar scale to extracellular matrix (ECM) components of the human NP. The mechanical properties of the SAPH could be optimised to closely match the native tissue. The system could shear thin and self-heal making the system ideally suited to delivery via minimally invasive procedure. The three dimensional (3D) culture of bovine NP cells (bNPCs) in the SAPH demonstrated that the NP phenotype could be restored after de-differentiation during monolayer culture. Gene expression results demonstrated that ‘traditional’ and ‘novel’ NP markers were highly expressed throughout in vitro culture. Cell viability was high, cell population remained stable and bNPCs adopted the characteristic rounded morphology of native NPCs. Finally, type II collagen and aggrecan, the main ECM components of the NP, were deposited with increasing production over culture period. Growth differentiation factor 6 (GDF-6) has been identified as the most promising current growth factor for inducing discogenic differentiation from human bone marrow mesenchymal stem cell (h-BMMSCs). After samples were stimulated with GDF-6, gene expression results confirmed that a NP-like phenotype could be induced with high expression of ‘traditional’ and ‘novel’ NP markers. Cell viability was high, cell population remained stable and NP associated ECM components were deposited with cells displaying a rounded morphology. Interestingly, when h-BMMSCs were cultured without GDF-6, it was strongly suggested that spontaneous discogenic differentiation occurred after culture in the SAPHs as ‘traditional’ and ‘novel’ NP markers were highly expressed, morphology was comparable to native NPCs and type II collagen and aggrecan were deposited extracellularly. If these findings were accurate then this is the first study to demonstrate that a NP-like phenotype could be induced from MSCs without use of an exogenous growth factor or a discogenic bioactive motif. Despite exciting and novel results, further work is required to confirm the potential of SAPHs for NP tissue engineering scaffolds.

This thesis deals with stress strain analysis of an aortic abdominal aneurysm (AAA) and the influence of its contact with the spine on the extreme wall stress. The influence was tested on the idealized geometry, as well as on ten patient specific geometries obtained from computer tomography (CT-A) scans. Hyperelastic constitutive models were used for the AAA wall and intraluminal thrombus (ILT) tissue description. The prestress algorithm was used for reconstruction of the unloaded geometry to get more trustworthy results against the geometry from CT which was obtained under the blood pressure. Statistical analysis was used for the results evaluation. The maximal increase of peak wall stress was as high as 81 %.