De par son caractère multifactoriel, la lombalgie chronique (LC) reste difficile à définir et ce malgré le nombre important de travaux scientifiques qui y sont consacrés. Son traitement est complexe et a généré le développement de nombreuses approches thérapeutiques dont une option moderne est la prise en charge pluridisciplinaire (PECP). <br />Ce travail de thèse a été réalisé en collaboration avec le Réseau Nord-Pas de Calais du Dos (RENODOS). Les médecins de ce réseau ont mené une réflexion collective sur la faisabilité d'une harmonisation des prises en charge qu'ils proposent et la standardisation des méthodes d'évaluation des patients lombalgiques chroniques.<br />L'objectif principal de ce travail a été d'expérimenter l'applicabilité d'un protocole d'évaluation standardisé au sein du RENODOS à travers l'étude de l'efficacité d'une PECP harmonisée. Il s'agissait également de mettre en exergue l'apport d'une organisation en réseau pour le traitement de la LC. <br />Une première étude a démontré qu'il était possible d'instaurer un langage commun pour l'évaluation du patient lombalgique chronique. Une seconde a quant à elle mis en évidence que les PECP proposées dans les différents centres du réseau se révélaient efficaces et qu'un fonctionnement en réseau apportait une dynamique supplémentaire au bénéfice du patient. <br />Enfin, ce travail présente des perspectives relatives à l'évolution du fonctionnement et à la poursuite de la démarche qualité du réseau.

La lombalgie est un problème de santé commun qui touche une grande partie de la population des pays industrialisés. Au cours des années, la modélisation numérique a été largement étudiée pour étudier la biomécanique du rachis lombaire pour aider fortement les cliniciens dans le diagnostic et les traitements de cette pathologie. Ce travail présente une méthodologie pour la modélisation éléments finis spécifique au patient prenant en compte à la fois la géométrie individualisée et les propriétés des matériaux des structures biologiques. Dans cette étude, le maillage est piloté par des connaissances des matériaux personnalisées qui sont extraites de l'imagerie médicale avancée. En outre, un logiciel convivial comprenant du traitement d'images, des maillages « material-driven » et de l'affectation des propriétés des matériaux, nommé C3M pour le «Computed Material-driven Mesh Model», a été développé pour générer efficacement des modèles FE spécifiques aux sujets à partir d'images médicales. Ce procédé est appliqué pour générer un modèle FE spécifique au patient du rachis lombaire à partir d'images issues par Résonance Magnétique (IRM) ou par tomodensitométrie 3D (CT). Cette approche ouvre une nouvelle perspective pour améliorer le processus de maillage à l'aide de connaissances du matériel dérivées d'images médicales. Le modèle proposé permet un assemblage précis et simple de vertèbres et des disques intervertébraux en tenant en compte à la fois la géométrie et les propriétés mécaniques des matériaux reflétant la spécificité du patient. / Low back pain is a common health problem which impacts a large part of the population in industrialized countries. Over the years, numerical modeling has been widely studied to investigate the biomechanics of lumbar spine for strongly assisting clinicians in diagnosis and treatments of this spinal pathology. In recent years, there has been a growing interest in researching and developing patient specific computer modeling which has proven its ability to provide great promises for developing realistic model of individual subject. However, still the specificity of these models is not fully described or is often limited to patient geometry. In fact, few models consider appropriate material properties derived from tissue characterization obtained from medical images. Furthermore, patient specific models can be obtained with geometry and mechanical properties derived from CT, but few from MRI which is well-suited for examining soft tissues. Therefore, development of the high-fidelity, patient-specific finite element model of the lumbar spine still presents the challenge. In this context of patient-specific finite element modeling, mesh generation is a crucial issue which requires an accurate representation of the geometry with well-shaped and sized elements and a relevant distribution of materials. This work presents a methodology for patient-specific finite element modeling which takes both individualized geometry and material properties of biological structures into consideration. In this study, the mesh is driven by personalized material knowledge which is extracted from advanced medical imaging. Additionally, a user-friendly program including image processing, material-driven meshing and material properties assignment, named C3M for “Computed Material-driven Mesh Model”, has been developed to generate efficiently subject-specific FE models derived from medical images. This process is applied to generate a patient specific FE model of lumbar spine based on both MRI and CT images. This approach opens a new direction to improve the meshing process using material knowledge derived from medical images. The proposed model allows an accurate and straightforward assembly of vertebrae and IVDs considering both geometry and material properties reflecting patient-specificity.

La sténose lombaire et l'arthrose facettaire représentent les indications principales du remplacement facettaire. L'objectif était d'analyser l'influence d'un nouvel Implant Facettaire Auxiliaire (IFA) sur la biomécanique du rachis lombaire. Les expérimentations cinématiques in vitro ont montré que l'IFA n'avait qu'une faible influence sur les amplitudes de mobilités en flexion-extension et en inflexion latérale du niveau L4-L5 instrumenté. La facettectomie augmentait la torsion axiale de manière importante, alors que l'IFA la réduisait grâce à la liaison transverse de l'implant. Cette limitation d'hypermobilité après facettectomie représente l'intérêt majeur de l'implant. Le disque instrumenté a été étudié in vitro par mesures de pressions intradiscales et par modélisation en éléments finis. Les pressions intradiscales étaient diminuées par l'IFA en flexion-extension. Les contraintes de von Mises de l'annulus étaient similaires entre l'IFA et la lésion par facettectomie et recalibrage. La fusion diminuait les contraintes intradiscales de manière plus importante. Au niveau des segments adjacents, l'IFA et le rachis intact se comportaient de façon similaire en flexion-extension et en inflexion latérale, alors que la fusion augmentait les contraintes de l'annulus et les forces de contact facettaires. En torsion axiale, l'IFA et la fusion augmentaient les contraintes discales et les forces de contact facettaires de manière similaire. Les expérimentations in vitro en cisaillement ont permis de simuler le spondylolisthésis dégénératif débutant. La lésion a entraîné une diminution de la raideur et une augmentation des déplacements antérieurs en cisaillement, alors que le comportement était similaire entre le segment instrumenté par IFA et le rachis intact.

La dégénérescence discale lombaire (DDL) est caractérisée par un vieillissement prématuré du disque intervertébral (DIV) et une déshydratation progressive du nucleus pulposus (NP) entrainant in fine des lombalgies. L'objectif général de ce travail est d'établir des données précliniques afin de régénérer le DIV en cas de DDL modérée. Dans un premier chapitre, nous avons déterminé une association de facteur de croissance et un mode de culture visant à obtenir une prédifférentiation nucléopulpogénique de cellules stromales mésenchymateuses (CSMs) humaines issues de la moelle osseuse. Nos résultats montrent que la culture tridimensionnelle des CSMs en billes d'alginate en présence de TGF-β3, GDF-5 et BMP-7 les oriente vers un phénotype cartilagineux. Dans un deuxième chapitre, nous avons élaboré un modèle porcin de DDL induite par cryolésion et nous l'avons comparé aux techniques de référence. L'évaluation de l'importance de la DDL a été effectuée par scanner, IRM et histologiquement. Un score histologique de DDL porcine a été décrit et validé. La cryolésion a permis d'obtenir une DDL plus importante que les autres techniques. Dans un troisième chapitre, nous avons injecté les CSMs préorientées dans les DIV lésés. L'analyse IRM a montré une amélioration de l'intensité du signal et de la surface du NP après injection des cellules. L'analyse immunohistologique a montré une survie des CSMs dans les DIV porcins à 2 mois. Dans un quatrième chapitre, nous avons comparé les taux de fusion et de complication pour la RhBMP-2 et la greffe spongieuse autologue dans les arthrodèses lombaires par voie antérieure dans une même cohorte de patients. La RhBMP-2 était associée à un taux de fusion inférieur et un taux de complications radiologiques supérieur à l'autogreffe spongieuse. / Degenerative disc disease (DDD) is characterized by premature aging of the intervertebral disc (IVD) and gradual dehydration of the nucleus pulposus (NP), ultimately causing back pain. The general objective of this work is to establish preclinical data to regenerate the IVD in moderate DDD. In the first chapter, we have identified a growth factor association and a culture method to achieve nucleopulpogenic prédifférentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) derived from human bone marrow. Our results show that the three-dimensional culture of MSCs in alginate beads in the presence of TGF-β3, GDF-5 and BMP-7 directs them to a cartilaginous phenotype. In the second chapter, we developed a porcine model of DDD, induced by cryoinjury, and compared it to reference techniques. Assessing the importance of DDD was performed by CT, MRI and histologically. A histological score of porcine DDD has been described and validated. Cryoinjury yielded a higher DDD that other techniques. In a third chapter, we injected preoriented MSCs in cryo-injured IVDs. MRI analysis showed an improvement in the signal intensity and the surface of the NP after the injection. The immunohistological analysis showed a survival of the MSCs in the porcine IVD 2 months after injection. In a fourth chapter, we compared the rate of fusion and complication for rhBMP-2 and autologous cancellous graft in the anterior lumbar interbody fusion, in the same cohort of patients. RhBMP-2 was associated with a lower fusion rate and a higher rate of radiological complications than the cancellous autograft.

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But de l'étude: Nos connaissances anatomiques sur le rachis lombaire reposent sur des dissections cadavériques rares, comprenant peu de sujets, très agés. La précision du scanner fait référence pour la morphologie articulaire. Une base de données scannographique (Lombonice 2005) a été crée puis 400 patients ont été mesurés. L'objectif est d'élaborer un Atlas biométrique de référence. Nous chercherons également à décrire la forme afin de concevoir une prothèse anatomique. Enfin, nous espérons dégager un dimorphisme sexuel et ainsi prédire l'âge ou le sexe d'un sujet en se basant ses articulations lombaires. Patients et méthodes : Nous avons mesuré 217 hommes et 183 femmes d'âge moyen 59 ans. Les coupes natives font 1,25 mm d'épaisseur (de L1 à S1). Nous crérons chaque plan de coupe puis nous positionnons des points de repères sur ces plans. Les coordonnées de ces points nous permettront de calculer des distances, des angles et le rayon des cercles mécaniques. Nous comparons ensuite les mesures obtenues avec l'âge, le côté, le sexe ou le niveau étudié. Résultats : De L1 à S1, les articulaires se rapprochent du mur postérieur mais s'éloignent l'une de l'autre. L'angle d'étrave postérieure augmente vers la caudalité. Le rayon des cercles mécaniques droit et gauche ne sont symétriques que dans 50% des cas et se confondent dans moins de 10 % des cas. Les mesures réalisées ne permettent pas de déterminer le sexe ou l'âge du sujet. Les mesures centrées sur le corps vertébral semblent plus discriminantes. Conclusion: La forme en 3D des articulaires postérieures est plus complexe qu'un fragment de sphère. / Aim of the study: Our anatomical knowledge about lumbar spine is based on few cadaveric dissections with very few specimens of very old. The CT scan is very informative concerning about bony facets morphology. We have first created a database of lumbar CT called « Lombonice 2005 » and then we have made differents measureson 400 subjects. The aim of this study is to obtain a biometric atlas. Then, we wanted to create a new anatomic lumbar facet prosthesis. At least, we would like to determine the age or the sex of a sunject only with anatomic measures. Patients and methods : We have measured 217 men and 183 women of 59 years old on average. The native slices was 1,25 mm thick and goes from L1 to S1. We have created each cutting plan and we have placed many landmarks on them. The coordonates of these landmarks let us calculate differents distances, angles or mechanical circle radius which describe well the shape of the facets. We have compared then the measures obtained and the age, sex, side or level studied. Results : From L1 to S1, on transversal plan, the facets are getting closer to posterior wall but are getting away from each other. The posterior angle like a boat's bow increase from L1 to S1. The mechanical circle radius of each sides are symmetrical just in 50% of cases and unique in less than 10 % of cases. All the measures even in 3 dimensions does'nt let us determine the sex or the age of subjects. Measures on vertebral body seems to be more discriminant. Conclusion: We found that 3D shape of lumbar facets is more complicated than a spere fragment as expected. The side asymmetry makes it difficult to reproduce an anatomical facet's prosthesis.