De nombreuses méthodes ont été développées pour estimer l’âge au décès de l’adulte mature. De plus, l’observation de certaines lésions dégénératives amène parfois l’anthropologue à classer un sujet chez les individus âgés, plus spécifiquement lorsqu’elles atteignent la colonne vertébrale. Or si l’ostéoarthrose rachidienne a fait l’objet de nombreux articles en paléopathologie, l’exploitation de l’ensemble des articulations vertébrales au sein d’une méthodologie est quasi inexistante. Ainsi, afin de déterminer le rôle d’une étude paléopathologique dans le vieillissement osseux, nous avons mis au point une méthode originale d’enregistrement des données.Cette méthode, basée sur un découpage topographique du rachis et un système de cotation des lésions arthrosiques, permet d’étudier l’atteinte dégénérative grâce à l’obtention d’un score de sévérité pondéré à l’état de conservation de la vertèbre. Le matériel d’étude est constitué de 750 individus répartis équitablement sur 3 périodes historiques (médiévale, moderne et contemporaine) permettant ainsi d’effectuer une comparaison diachronique des résultats. Les 250 individus constituant l’échantillon contemporain proviennent de collections documentées (Schoten, Belgique ; Bologne, Italie ; Sassari, Sardaigne). L’âge des sujets ostéoarchéologiques a été estimé grâce aux méthodes utilisant la surface auriculaire de l’os coxal (Lovejoy, 1985 et Schmitt, 2005). La même estimation a été faite sur les collections âge/sexe connus afin de déterminer le pourcentage d’erreur commis sur nos échantillons médiéval et moderne. Pour chaque articulation rachidienne nous avons testé statistiquement la relation entre l’âge au décès et les scores de sévérité, ainsi que les dissemblances d’atteinte en fonction du sexe et de la latéralité. Des études qualitatives ont également été entreprises, permettant ainsi d’observer l’expansion des modifications dégénératives en fonction des différentes classes d’âge.Au terme de ce travail de recherche, nous avons constaté l’existence d’une relation entre l’âge et la sévérité des atteintes dégénératives vertébrales. Cependant ce lien est modéré par divers facteurs variant en fonction des articulations et des segments vertébraux. Parmi ces facteurs, nous avons relevé le sexe et la latéralité. Des informations concernant le mode de développement des lésions dégénératives rachidiennes ont également été acquises. Ainsi, nous avons observé que l’OA se développait dans un premier temps de manière progressive le long du rachis, puis, avec l’âge et selon le type d’articulation, les lésions se concentrent sur les mêmes vertèbres (celles étant le plus soumises aux forces biomécaniques). C’est également sur ces mêmes vertèbres que se manifestent les lésions les plus sévères. Ainsi, il semble indispensable, lors d’une étude paléoépidémiologique, d’avoir un nombre minimum de vertèbres et parmi celles-ci les vertèbres les plus sollicitées en pré requis. De plus, nous préconisons lors d’un examen paléopathologique, de considérer plus que la sévérité même de la lésion, le nombre de zone atteintes comme estimateur de l’âge au décès. / Various methods have been developed to estimate age at death of adults and anthropologists sometimes use degenerative vertebral lesions. In paleopathology contrary to vertebral degenerative disease (VDD) that has been extensively studied, the whole vertebral joints have almost never been investigated by standardized methodology that allows approximating the epidemiological performance of various vertebral joints in relation to articular degeneration. In order to better define the paleoepidemiological aspects of bone ageing we have developed a research program based on the recording of degenerative lesions in the vertebral joints.This approach is based on a topographic division of spine and a grading system of degenerative lesions, permits the study VDD using “a severity score” according to the state of vertebral preservation. We studied 750 spines provided equally from three samples (medieval, modern and contemporary) to compare periods. The 250 contemporary spines are from documented collections of Schoten (Belgium), Bologna (Italy) and Sassari (Sardinia). Age estimation was made for each archaeological sample using methods based on the observation of the sacro-iliac joint surface (Lovejoy, 1985 and Schmitt, 2005). The same estimation of age has been made with known sex and age collections in order to calculate error estimates. For each joint of the spine, statistical tests have been made to study relationship between the age at death and “the severity score” and to compare variability between sex and spine laterality. Quantitative studies have also been made to observe degenerative change resulting from advancing age.At the end of this work, we observed the relation between age and the severity of VDD. That link can vary according to joint type, spinal segment and various factors such as sex or laterality. Information concerning the evolution of degenerative lesions has been acquired. VDD appears initially to progressively affect the entire spine and then with aging, degenerative lesions focus on the same vertebrae (those that are the most used biomechanically). Those vertebrae always show the most severe lesions. Thus it is essential for paleoepidemiologic studies to include a minimal number of vertebrae and among them those that are the most used. We also suggest considering the number of affected zones to estimate age at death instead of the lesion severity.

La scoliose est une déformation en trois dimensions de la colonne vertérbale. Les traitements chirurgicaux actuels sont à l’origine d’une perte de mobilité et de croissance du rachis. Pour palier à ces difficultés, un implant innovant de correction à été développé. Cet implant de type « fusionless » a pour but de préserver la mobilité et la croissance de la colonne vertébrale. Des études morphométriques nous ont permis de connaître la croissance du rachis chez le porc. Cette dernière est maximale entre la 6ème et la 10ème semaine de vie. Les corridors d’insertion des vis pédiculaires ont également pu être décrit. Ensuite, des essais biomécaniques nous ont permis de connaître les contraintes s’exerçant sur le rachis du porc au cours de l’apparition des déformations scoliotiques et de décrire la résistance à l’arrachement des vis pédicualires. Chez le porcs, leur implantation doit etre bicorticale. Enfin, le dispositif a pu être implanté avec succès et a été suivi pendant 2 mois chez 6 porcs charcutiers. Nous avons pu montrer que le dispositif ne semble altérer ni la croissance ni la mobilité rachidienne. Aucune dégénérescence discale n’a été observée / Scoliosis is a three-dimensional deformity of the spine. Current surgical treatment are associated with a lost of spine mobility and growth. To avoid those complications, a new fusionless device, preserving spine growth and mobility, has been develloped. Morphometrics studies allow us to evaluated spinal growth in the pigs. This latter one is maximal between the 6th and 10th weeks. Safe corridor of implantation of pedicle screws was also described. During biomechanicals studies, in vivo measurements of forces observed pigs during soliosis deformities induction in a porcine model was performed. Pullout ressitance of pedicle screw in pigs verterbra was also measured in ordre to optimize pedicle screw fixation in the porcine model. In growing pigs, bicortical screw implantation should be used.Finally, the device was implanted during two months in 6 pigs. Spine growth and mobility were not affected and no disc degeneration was observed during the follow up period

Le rôle de l’inflammation dans la discopathie dégénérative a pu être étudié dans certains modèles animaux, de tissus post-mortem ou parfois dans des tissus chirurgicaux mais ce phénomène reste encore mal compris. La dégénérescence des disques intervertébraux peuvent être à l’origine de diverses pathologies rachidiennes telles que la hernie discale, la radiculopathie et la myélopathie. Le disque subit un déséquilibre homéostasique, une néoinnervation et une néovascularisation laissant pénétrer les cellules immunitaires au sein du disque. Nous avons analysé 78 échantillons de plasma de patients atteints de pathologie du rachis ayant eu recours à la chirurgie. Les patients ont été stratifié en quatre groupes selon la présence ou l’abscence de myélopathie, hernie discale, radiculopathie, spondylolisthésis, lésions nerveuses et canal étroit. Nous avons identifié un profil de biomarqueurs plasmatiques propre à chacun des groupes. Un profil pro-inflammatoire (augmentation de la protéine C-ractive (CRP), du facteur de nécrose tumorale (TNFα)) semble s’apparié aux patients souffrant de myélopathie, avec une augmentation significative de neurofilament à chaine légère (NfL), confirmant une atteinte de la moelle épinière et une dégradation axonale. Les patients atteints de radiculopathie, ont de faibles niveaux de cytokines pro-inflammatoires. Les patients souffrant de spondylolisthésis semblent être caractérisés par l’augmentation de la chimiokine 22 à motif CC (CCL22) et de la molécule soluble d’adhésion intercellulaire (sICAM-1). La concentration en adiponectine est diminuée chez tous les patients. Des niveaux élevés des biomarqueurs de CD40-ligand soluble (sCD40L), de lipocalin-2 (LCN2) et du sérum amyloïde A (SAA) étaient associés à la dégénérescence des disques intervertébraux. / The role of inflammation in degenerative disc disease has been studied in animal models, in post-mortem tissue and surgical tissue, but the phenomenon remains poorly understood. Degeneration of the intervertebral discs contributes to various spinal pathologies such as disc herniation, radiculopathy, and myelopathy. The disc undergoes homeostatic imbalance, neoinnervation, and neovascularization, allowing immune cells to penetrate the disc tissue. We analyzed blood samples from patients with spinal pathology who had undergone surgery. We stratified patients according to their clinical criteria, and measured inflammatory, antiinflammatory, and trophic biomarkers in samples and compared them with healthy donor samples. We develop a plasma biomarker profile specific to subgroups of patients. A pro-inflammatory profile (increased CRP, TNFα) appears to be associated with patients suffering from myelopathy, with a significant increase in NfL, confirming damage to the spinal cord and axonal degradation compared with other patients and healthy donors. Patients with radiculopathy had low levels of pro-inflammatory cytokines. Patients suffering from spondylolisthesis seem to be characterized by an increase in CCL22 and sICAM-1, which may allow macrophages to penetrate the damaged disc. Adiponectin concentration was lower in all patient subgroups compared to healthy donors. The elevated levels of the biomarkers sCD40L, LCN2 and SAA, were linked to intervertebral degeneration.

Le rachis est constitué d'un ensemble de vertèbres entourées de tissus mous. Celui-ci est flexible, mais il est aussi rigide par morceau. Un modèle articulé permet de prendre en compte la nature particulière des déformations acceptables du rachis en vue de la création d'un modèle statistique. Cependant, les modèles articulés appartiennent naturellement à une variété Riemannienne et non à un espace vectoriel ce qui nous a amené à utiliser la moyenne de Fréchet et une mesure généralisée de la covariance lors de la création des modèles statistiques. Ceux-ci peuvent être visualisés de façon intuitive et comparés à l'aide de tests d'hypothèses. L'analyse d'un grand groupe de patients scoliotiques a révélé que la variabilité de la forme du rachis est inhomogène et anisotrope et qu'il est aussi possible de localiser les niveaux vertébraux significativement affectés par un traitement orthopédique. L'analyse par composantes principales dans le plan tangent de la moyenne de Fréchet permet quant à elle d'extraire des modes de déformations typiques qui facilitent l'analyse de grandes bases de données. Ces déformations typiques révélèrent des groupements cliniquement intéressants chez les patients scoliotiques. Finalement, une procédure d'estimation d'un maximum a posteriori permet la reconstruction 3D de modèles complets à partir de modèles 3D incomplets ou à partir de repères 2D identifiés sur des radiographies. Les résultats obtenus indiquent que notre méhode de reconstruction à partir de repères 2D est plus performante que la méthode la plus utilisée actuellement. De plus, une erreur inférieure à 2 mm a été obtenue lorsqu'au moins 25 % des vertèbres étaient disponibles pour la reconstruction d'un modèle complet du rachis. Les résultats obtenus indiquent donc qu'un modèle statistique de la géométrie du rachis complet basé sur une modélisation articulée mène à des statistiques descriptives interprétables cliniquement et à des algorithmes qui permettent d'obtenir des modèles 3D du rachis dans des circonstances où cela aurait été impossible par le passé.

Dans cette thèse, nous avons analysé le comportement biomécanique In Vitro et In Vivo d'une prothèse discale cervicale à articulation sphérique. Les expérimentations In Vitro nous ont permis d'étudier la cinématique segmentaire dans les trois plans de l'espace au niveau instrumenté et aux niveaux adjacents. La mesure de la pression intradiscale a apporté des informations sur les variations de contraintes après arthroplastie au niveau des disques adjacents. Différentes configurations ont ainsi été évaluées : arthroplastie et arthrodèse à 1 et 2 niveaux, montage hybride. L'influence de la précharge sur le comportement biomécanique du rachis cervical a fait l'objet d'un travail spécifique en se basant sur les essais In Vitro et sur la simulation numérique. Les analyses In Vivo 2D ont été effectuées sur des clichés dynamiques en flexion-extension et ont permis le calcul des amplitudes de mobilité et de la position des centres moyens de rotation dans une population de patients opérés (n=32). Celles-ci ont intéressé le niveau opéré mais également les niveaux adjacents à court et moyen terme. Grâce au système stéréo-radiographique EOSTM, nous avons pu compléter l'analyse cinématique In Vivo par la mesure des amplitudes de mobilité des segments instrumentés dans les trois plans de l'espace.

Les progrès technologiques considérables réalisés dans le secteur aéronautique militaire ont donné naissance à des avions atteignant des niveaux d'accélération importants (9 Gz sur le Rafale). Ces accélérations, à l'origine de lésions cervicales aigües et chroniques, placent plus que jamais les tolérances biomécaniques des pilotes de chasse au centre des préoccupations. Dans le contexte de protection des personnels navigants, l'Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordonne, avec le soutien de la Délégation Générale à l'Armement (DGA), un programme de recherche visant entre autres à mieux comprendre les mécanismes lésionnels impliqués. Les modèles en éléments finis constituent des outils particulièrement propices à l'analyse des risques lésionnels dans la mesure où ils offrent une information quantitative des niveaux de sollicitation des tissus. Néanmoins, aucun modèle ne permet à l'heure actuelle de prendre en compte à la fois les variabilités morphologiques interindividuelles et les tissus musculaires. Le but de cette étude est par conséquent de contribuer à l'étude des mécanismes lésionnels en proposant une approche de modélisation géométrique paramétrée et personnalisée. La méthode consiste à générer automatiquement des maillages du complexe musculo-squelettique du rachis cervical à partir de données issues d'imagerie médicale. Enrichis par des lois de comportement mécanique, ces maillages sont utilisés pour la construction de modèles en éléments finis dont les mobilités segmentaires sont validées dans un premier temps. Une étude préliminaire vise ensuite à mettre en évidence les effets de la morphologie et des tissus musculaires dans le cas des sollicitations en compression axiale qui sont récurrentes sous facteur de charge.

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une perte de la qualité osseuse qui entraîne un risque de fracture accru, notamment au niveau vertébral. Des modèles en éléments finis basés sur la tomodensitométrie permettent d'estimer la résistance vertébrale, et donc le risque de fracture, mais leur utilisation en routine clinique est limitée par le coût et l'irradiation engendrée par la tomodensitométrie. L'estimation la résistance vertébrale à partir d'un modèle en éléments finis basés sur l'imagerie basse dose, telle que l'absorptiométrie biphotonique à rayons X, ou la stéréo-radiographie EOS en double énergie, permettrait une utilisation en routine clinique. Cette thèse contribue au développement de la modélisation à partir de l'imagerie basse dose pour la prédiction du risque de fracture. Un modèle en éléments finis de résistance vertébrale y est évalué par rapport à un modèle basé sur la tomodensitométrie, et une étude de sensibilité identifie les facteurs importants du modèle sont analysés. Des méthodes de maillage hexaédrique morpho-réalistes à partir de la reconstruction 3D, et d'estimation de la distribution de densité à partir d'image 2D de densité y sont développées. De plus, profitant des possibilités du système EOS qui permet de radiographier le patient de la tête aux pieds, une méthode préliminaire est proposée pour estimer l'effort exercé sur les vertèbres in vivo. Nous espérons que nos méthodes pourront être utilisées très prochainement in vivo, et contribuer à l'estimation du risque de fracture ostéoporotique, et à la prise en charge des patients à risque de fracture.

Les douleurs lombaires représentent l'une des premières causes d'intervention chirurgicale dans le monde, et requièrent le recours à une instrumentation du rachis complémentaire pour environ 1% des patients. La technique instrumentée standard est l'arthrodèse ; elle consiste en l'immobilisation des vertèbres adjacentes par un système composé de vis pédiculaires et de tiges. Les résultats cliniques sont généralement satisfaisants. Cependant, des cas de complications subsistent, en particulier la dégénérescence du segment adjacent pouvant entraîner une reprise chirurgicale. Pour répondre à ce problème, les implants dits « stabilisation dynamique » ont été conçus avec pour objectif de maintenir une mobilité au niveau instrumenté afin de ne pas sur-contraindre les structures environnantes. Cette étude consiste en l'évaluation clinique et biomécanique d'un de ces implants. Tout d'abord, nous avons mené une campagne d'essais de caractérisation mécanique de l'implant isolé afin de connaître précisément ses propriétés et de pouvoir le modéliser de façon fidèle et validée. Un travail clinique rétrospectif a ensuite été réalisé pour quantifier les résultats obtenus et proposer un protocole d'étude prospective qui réponde aux contraintes cliniques et aux exigences scientifiques actuelles. Une campagne d'essais in-vitro sur segment lombaire a ensuite été menée pour compléter notre connaissance du comportement biomécanique du rachis instrumenté. Ceci nous a permis de valider une modélisation en éléments finis du rachis instrumenté utilisé notamment pour étudier l'influence du design de l'implant ainsi que des gestes réalisés lors de la chirurgie. / Back pain is one of the first causes of surgical intervention in the world and instrumentation is needed for about 1 patient out of 100 . Fusion is the gold standard for instrumented surgery and consists in fixation of two adjacent vertebra together with pedicular screws and rigid rods. Clinical outcomes of fusion are satisfactory but some cases of adverse events remain such as adjacent segment degeneration sometimes leading to revision surgery. Dynamic stabilization devices have been proposed to tackle this issue with the objective of maintaining motion at the instrumented level and thus limiting the surrounding structure overloading. This work aims at assessing one dynamic stabilization device. We first performed mechanical testing on the device to better understand its functioning and come up with a detailed and validated model. Then a retrospective clinical work has been conducted to lay out the clinical performances of the device and propose a prospective study design to answer clinical and scientific requirements. A biomechanical in-vitro testing campaign has been set up to increase our knowledge about the behaviour of the instrumented spine. This enabled us to validate a finite elements model then used for the study of the influence of several design parameters but also of several choices made during the surgery.

De nos jours, la radiographie est l'examen de référence pour le suivi des pathologies de la colonne vertébrale. La radiographie bi-planaire permet de plus, par reconstruction 3D, d’évaluer la configuration spatiale de la colonne vertébrale. Cependant, les expositions radiographiques répétées entrainent une augmentation du risque de cancer. Une solution pour réduire les doses de radiation peut être de remplacer certains examens radiographiques par une mesure de la surface du dos. Cette mesure non-invasive permet, entre autre, d’obtenir un grand nombre de paramètres cliniques utiles pour le diagnostic et le suivi des pathologies. Cette mesure permet également d’estimer la configuration du rachis si l’on met en place une modélisation biomécanique adaptée. Le travail réalisé dans cette thèse consiste à développer et mettre en oeuvre une telle modélisation basée sur les informations personnalisées à la fois internes et externes. Le dispositif Biomod 3S (développé par la société AXS Ingénierie, Bordeaux) offre la possibilité d’une acquisition simultanée de radiographies et de surfaces du dos par franges de Moiré. Cette acquisition sur une quinzaine de sujets scoliotiques (des Hôpitaux Universitaires de Bordeaux) a notamment permis d’évaluer les relations entre plusieurs paramètres 3D internes (e.g., la rotation axiale des vertèbres) et de nombreux paramètres 3D externes (e.g., les gibbosités et flèches). Cette acquisition simultanée permet également de prédire la nouvelle configuration de la colonne vertébrale dans une seconde posture où seule la mesure de surface du dos est effectuée. Pour cela, la modélisation en multi-corps rigides articulés qui a été développée (sous Scilab) utilise (a) la géométrie personnalisée de la colonne vertébrale reconstruite dans la première posture et (b) des contraintes issues de la mesure de la surface du dos dans les deux postures (e.g., position de C7). Le modèle a pu être validé sur une dizaine de sujets sains dont la colonne vertébrale et la surface du dos ont été reconstruits en 3D dans différentes positions (debout, penché en avant) à l’aide d’un IRM positionnel. Le modèle a pu également être exploité sur quelques sujets pathologiques. Ce travail, qui a exploré et exploité de nombreuses informations 3D internes et externes, ouvre des perspectives pour le diagnostic et le suivi non-invasif des pathologies de la colonne vertébrale / Nowadays, radiography is the gold standard for the follow up of spinal pathologies. Furthermore, bi-planar radiography allows the assessment of vertebrae configuration, by 3D reconstruction. However, multiple radiographic examinations during childhood and adolescence increase the risk of breast cancer among women. To reduce radiation doses, some radiographic assessments could be replaced by the back surface evaluation. This kind of non-invasive procedure allows for acquisition of many clinical parameters useful for spinal pathologies diagnosis and follow-up. Moreover, with an appropriate biomechanical model, the back surface measurements could be used to estimate the spine configuration. The aim of this thesis is to develop and implement such a model based on personalized internal and external data. The Biomod 3S device has been developed by the company AXS MEDICAL SAS, Bordeaux, France. It offers the possibility of simultaneous acquisitions of X-rays and Moiré fringes to obtain 3D reconstructions of the spine and the back surface. Such acquisitions on fifteen scoliotic subjects have enabled us to assess several relationships between internal 3D parameters (for example axial rotation of vertebrae) and external 3D parameters (for example rib hump). The spine configuration and the back surface obtained during this acquisition will also be used as initial position to develop (with Scilab) the multi-body model. The other data used by the model are the back surface in a second position and constraints obtained from the surface in both positions (for example displacement of C7 vertebra). The model has been validated on nine healthy subjects, whose 3D spine and back surface were reconstructed in several positions (standing, leaning forward, sitting) from MRI acquisitions. Moreover, the model has been operated on a pathological subject. This work has explored and utilized many spine and back surface information and leads the way to non-invasive diagnosis and follow-up of spinal disease

L'objectif du travail de thèse, dans le cadre du projet Européen DEMU2NECK, a été de contribuer à développer un modèle volumique déformable et personnalisable du cou, incluant la prise en compte de la capacité d'activation musculaire. Ce modèle vise à contribuer à une meilleure compréhension des liens entre pathologie, posture et activation musculaire pour aider les cliniciens et les fabricants de dispositifs médicaux dans leurs prises de décision. Pour atteindre cet objectif la thèse a été structurée en quatre grandes tâches : après une i) synthèse bibliographique, ii) un modèle générique a été développé et validé. La troisième étape a été iii) le développement d'un modèle de muscle actif et son intégration au modèle générique. L'implémentation de la fonction contractile des muscles lors de simulations musculo-squelettiques isométriques et dynamiques de tâches fonctionnelles simples du cou, a permis de mettre en avant des efforts transverses transmis par les muscles au rachis, allant dans le sens de l'hypothèse d'une contribution à sa stabilisation. La dernière tâche a été iv) la réalisation des premières applications de personnalisation, qui ont porté sur la déformation du modèle générique sur la base de données d'imagerie obtenues sur volontaires. Des comparaisons des réponses des modèles personnalisés et du modèle générique ont mis en avant l'intérêt scientifique de l'approche de personnalisation à travers l'obtention de différences significatives de résultats / The objective of this thesis, as part of the DEMU2NECK European project, was to contribute to develop a 3D, deformable model of the neck, with contractile muscles and including the possibility of patient-specific geometric personalisation. The aim of this model is to contribute to a better understanding of the links that exist between pathologies, cervical spine posture and muscular activation in order to help clinicians and medical devices manufacturers in their decision making process. To achieve this goal, the thesis work was divided into four main tasks: after a i) bibliographic synthesis, ii) a passive generic finite element model was developed and validated. The third step consisted in iii) the development of a finite element muscle model and its integration to the generic passive model. The contractile function of the muscles was implemented during isometric and dynamic simulations of simple functional tasks of the neck. The transverse forces that were transmitted from the muscles to the cervical spine are in good agreement with the hypothesis of a contribution of these forces to the cervical spine stability. The last task covered iv) the personalisation process of the generic model. The responses of subject-specific models based on volunteers were compared with the ones obtained from the generic model. They showed significant differences and, therefore, the scientific relevance of the personalization approach