Le remplacement du disque intervertébral par une prothèse est une procédure chirurgicale innovante au rachis cervical. Le but de notre travail était d'étudier fonctionnement biomécanique de prothèses discales cervicales, en tenant compte de l'effet des éléments anatomiques après implantation, avec un intérêt spécifique pour l'influence de la variation de la géométrie des implants. La modélisation en éléments finis en 3D nous a permis de constater que les déplacements et les contraintes dans la prothèse et dans les facettes articulaires varient en fonction des paramètres géométriques (rayon et centre) dans le cas de des prothèses à emboîtement sphérique. Malgré une grande variabilité interindividuelle in vivo, l'analyse cinématique des radiographies dynamiques de deux séries de patients porteurs de prothèses à emboîtement sphérique différentes nous a permis observer l'influence de la position du centre géométrique sur le centre moyen de rotation en flexion / extension. Le développement de la stéréoradiographie EOS® pour le rachis cervical nous a conduit d'abord à valider l'utilisation de ce système puis a permis d'étudier un type différent de prothèse (à plateau mobile) dans des déplacements 3D. Nos résultats montrent l'importance des paramètres géométriques des prothèses articulées cervicales. L'interaction cinématique de la prothèse implantée avec les autres éléments du segment mobile rachidien suggère l'intérêt de la modélisation personnalisée dans la prise en charge des patients.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre.

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 cervicalgies constituent un enjeu médico-économique pour nos sociétés. Ceci justifie des recherches actives sur le rachis cervical afin de mieux appréhender les fondements des cervicalgies et fournir aux cliniciens des pistes permettant d'en prévenir les effets ou d'améliorer les traitements. Cette étude, qui inclut 66 sujets Asymptomatiques et pathologiques (arthrodèses, prothèses, whiplash), présente un protocole expérimental original et non invasif pour mesurer in vivo la cinématique tridimensionnelle de la tête par rapport au thorax. Elle quantifie les amplitudes angulaires des degrés de liberté principaux et couplés pour les mouvements de flexion-extension, d'inclinaison latérale, de rotation axiale et des mouvements complexes ainsi que les mouvements compensatoires des épaules. L'objectif final de ce travail est la comparaison entre les différentes populations

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.

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.

Ce travail de thèse a pour but l’étude des douleurs de dos qui surviennent chez l’astronaute présentant davantage de hernies discales par rapport à une population contrôle. Nos recherches visent à comprendre la physiopathologie de ce phénomène et à étudier les conséquences cliniques de ce déconditionnement vertébral qui participe également aux troubles posturaux. Cet axe de recherche est recommandé par les différentes agences spatiales internationales. Pour cela nous avons eu l’opportunité d’analyser les données dans deux modèles d’études des effets de la microgravité : l’immersion sèche (n=11) et l’alitement tête déclive (n=9) et un état analogue, le confinement (n=4). Seuls les principaux résultats de l’immersion sèche, méthode d’étude nouvelle de notre paradigme, sont rapportés dans ce résumé. Celle-ci a permis grâce à l’imagerie et la spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire de la colonne vertébrale, d’analyser en 3 dimensions le disque intervertébral et d’objectiver l’augmentation du contenu en eau (+17%) du volume de ce disque (+9,5%). Les variations du tonus des muscles paravertébraux et des membres inférieurs ont été mesurées avec la très récente et non-invasive technologie MyotonPRO. Une diminution du tonus musculaire (-7,3%) a été retrouvée, associée à une atrophie musculaire (-10,6%) ainsi qu’une perte de force démontrée sur les membres inférieurs. Ces résultats, attestant un déconditionnement musculaire, sont cohérents avec le déconditionnement postural immédiatement après immersion sèche. Nous avons également étudié les paramètres d’occlusion dentaire, qui font partie des entrées posturales et peuvent affecter la bonne stabilité du corps. Finalement deux éléments interviennent dans l’explication des dysfonctions vertébrales : l’augmentation de la taille de la colonne liée à celle du volume des disques intervertébraux. On note également une atrophie des muscles paravertébraux, qui joue un rôle majeur dans la posture. Nous avons par ailleurs montré le rôle de l’occlusion dentaire dans le déconditionnement vertébral et postural. En conclusion : le tonus musculaire, la bonne mobilité vertébrale et l’équilibre de l’occlusion dentaire sont des éléments à préserver pendant et après un séjour en impesanteur, afin d’éviter les effets délétères du déconditionnement. / This work focuses on the study of back pain experienced by astronauts, who present with a greater incidence of herniated discs compared to a control population. Our research aims at understanding the physiopathology of this phenomenon and to study the clinical consequences of vertebral deconditioning which also contributes to postural disorders. This line of research has been recommended by the various international space agencies. For this reason, we had the opportunity to analyze data in two models simulating the effects of microgravity: dry immersion (n = 11) and head-down bed rest (n = 9), and a similar state, confinement (n = 4). Only the main results of dry immersion, a new method of studying our paradigm, are reported in this summary. Using magnetic resonance imaging and spectroscopy of the vertebral column, it was possible to analyze the intervertebral disc in 3 dimensions and to objectify the increase in water content (+ 17%) and the increase in intervertebral disc volume (+ 9.5%). Variations in paravertebral and lower limb muscle tone were measured with the very recent, and non-invasive, MyotonPRO technology. A decrease in muscle tone (-7.3%) was found to be associated with muscular atrophy (-10.6%) as well as a loss of strength in the lower limbs. These results, attesting to muscle deconditioning, are consistent with postural impairment immediately after dry immersion. We also studied variations in dental occlusion, which is involved with the maintenance of posture and could affect balance. In summary, two elements are involved in the explanation of vertebral dysfunction: the increase in spine height, related to increased intervertebral discs volume and paravertebral muscles atrophy, which plays a major role in posture. However, we also showed a role of dental occlusion in vertebral and postural deconditioning. In conclusion: muscle tone, good vertebral mobility, and dental occlusion are elements to be preserve during and after an exposure to weightlessness to avoid the deleterious effects of deconditioning.

Cette étude a été subventionnée par le Fonds de recherche du Québec - Santé (FRQ-S, grant # 21230 – 2) / Les infiltrations foraminales cervicales sont associées à un risque de complications neurologiques majeures. Cette étude compare l’efficacité des infiltrations facettaires, plus sécuritaires, à celle des infiltrations foraminales dans le traitement de la cervico-brachialgie secondaire à une spondylose et/ou à une hernie discale, à 4 semaines post traitement. Cinquante-six sujets ont été randomisés pour recevoir une infiltration foraminale (15 hommes, 13 femmes ; âge moyen 52 ans) ou facettaire (8 hommes, 20 femmes ; âge moyen 44 ans). L’issue principale était l’intensité de la douleur mesurée sur une échelle visuelle analogique (0 – 100). Les issues secondaires étaient le Neck Disability Index et le Medication Quantitative Scale. Suivant les analyses en intention-de-traiter et en intention-du-protocole, pour un score de douleur initial moyen, une réduction significative de l’intensité de la douleur a été observée avec les infiltrations facettaires [45.3% (95%CI: 21.4; 69.2) et 37.0% (95%CI: 9.2; 64.7)] contrairement aux infiltrations foraminales [9.8% (95%CI: +11.5; 31.2) et 17.8% (95%CI: +6.6; 42.2)]. Les infiltrations facettaires ont procuré une amélioration cliniquement (mais non statistiquement) significative du Neck Disability Index [24.3% (95%CI: +2.9; 51.5) et 20.7% (95%CI: +6.2; 47.6),], contrairement aux infiltrations foraminales [9.6% (95%CI: +15.2; 34.4) et 12.8% (95%CI: +11.2; 36.7)]. Les infiltrations facettaires étaient au moins aussi efficaces que les infiltrations foraminales pour un score initial de douleur ≤ 60, alors que l’analyse de non infériorité n’était pas concluante pour un score initial ≥ 80, de même que pour le Neck Disability Index. Les infiltrations n’ont pas été associées à une réduction du score de Medication Quantitative Scale. Les infiltrations facettaires sont efficaces dans le traitement de la névralgie cervico-brachiale et représentent une alternative valable et plus sécuritaire aux infiltrations foraminales. / Transforaminal corticosteroid injections can be performed in the management of cervical radiculopathy but carry the risk of catastrophic complications. This study compares the efficacy of transforaminal and facet corticosteroid injections at 4 weeks post treatment. We randomly assigned 56 subjects to receive CT-guided transforaminal (15 men, 13 women; mean age 52 years; range 28 – 72 years) or facet (8 men, 20 women; mean 44 years; range 26 – 60 years) injections. The primary outcome was pain severity rated on a visual analog scale (0-100). Secondary outcome measures were the Neck Disability Index and the Medication Quantitative Scale. In the intention-to-treat and as-treated analyses, for a mean baseline score, facet injections demonstrated a significant pain score reduction of 45.3% (95%CI: 21.4; 69.2) and 37.0% (95%CI: 9.2; 64.7), while transforaminal injections showed nonsignificant pain score reduction of 9.8% (95%CI: +11.5; 31.2) and 17.8% (95%CI: +6.6; 42.2). While facet injections demonstrated an improvement in Neck Disability Index score of [24.3% (95%CI: +2.9; 51.5); 20.7% (95%CI: +6.2; 47.6),] as opposed to transforaminal injections [9.6% (95%CI: +15.2; 34.4); 12.8% (95%CI: +11.2; 36.7)], the results did not reach statistical significance. Noninferiority of facet to transforaminal injections was demonstrated for baseline pain score ≤ 60, while noninferiority analysis was inconclusive for baseline pain score ≥ 80 and for the Neck Disability Index score. Neither intervention showed a significant medication intake score reduction over time. Facet injections are effective for the treatment of cervical radiculopathy and represent a valid and safer alternative to transforaminal injections.