UPThèses

Le rachis, structure essentielle du corps humain, est constitué d’un empilement de corps rigides (les vertèbres) et de parties souples (les disques), l’ensemble étant maintenu en place par un système ligamentaire et musculaire complexe. Cette structure remplit plusieurs fonctions importantes, comme la protection de la canal rachidien, ou encore la transmission des efforts du tronc vers les membres périphériques. Il est aussi responsable de l’équilibre sagittal avec différentes courbures présentes à chacun des niveaux rachidiens, à savoir le rachis cervical, thoracique, lombaire, et sacré. Le rachis peut rencontrer certains disfonctionnements causés par des traumatismes ou des dégénérescences liées à l’âge. Afin de corriger les troubles les plus importants, différentes approches chirurgicales peuvent être employées, celles-ci consistant souvent à stabiliser les niveaux atteints, c’est-à-dire à les bloquer dans une position physiologique, ou encore à restaurer les fonctions perdues, notamment en remplaçant un disque par une prothèse mobile lors de la réalisation d’une arthroplastie. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet BORDO (Biomécanique Ostéoarticulaire du Rachis et Dispositifs Optimisés) et a pour objectifs l’étude d’implants rachidiens innovants et le développement d’implants rachidiens optimisés. Au cours de ce travail, plusieurs études ont été réalisées, qu’elles soient numériques ou expérimentales, afin d’étudier le comportement de spécimens rachidiens thoraco-lombaires et lombo-sacrés, à des états intacts et instrumentés avec différents implants. Plusieurs dispositifs chirurgicaux ont pu être évalués, en étudiant notamment le cas de prothèses d’arthroplastie, conduisant à des résultats très différents. Les résultats obtenus au cours des différentes études réalisées ont permis d’établir un cahier des charges complet et précis, posant ainsi les bases pouvant mener à la création d’un nouvel implant rachidien optimisé.

Les affections de la colonne sont la principale source de handicap mondiale. Leur impact sur les systèmes de santé et sociaux est monumental dans les pays occidentaux et sans doute négligé dans les pays en voie de développement. Bien que traditionnellement considéré comme non spécifique, il est possible dans certains cas de définir des sources anatomo-pathologiques responsables de la douleur des patients. Parmi elles, se trouve les fissures radiales de l’annulus fibrosus du disque intervertébral. Cette lésion structurelle à de nombreuses conséquences sur la biologie et la mécanique du disque intervertébral, pouvant conduire à une dégénérescence de la structure. Dans cette thèse nous nous intéressons aux déplacements et aux déformations du Nucleus Pulposus rendu plus importantes du fait de la brèche de l’annulus. McKenzie a émis l’hypothèse d’un nucleus mobile dans la fissure. Ces déformations / déplacements sont dépendants des forces imposées sur l’unité fonctionnelle par les mouvements physiologiques du rachis. Ainsi une flexion déplace / déforme le nucleus vers l’arrière, une extension vers l’avant et ainsi de suite. Afin de tester la pertinence de cette hypothèse, nous utilisons une approche quadruple, incluant : - Une revue systématique de la littérature avec une méta-analyse. - Une approche ex vivo, combinant IRM quantitative et analyse photomécanique. - Une approche in vivo d’analyse quantifié de mouvement. - Une approche in silico de modélisation par éléments finis. Nos résultats, quoique préliminaires, semblent confirmer cette hypothèse. Mais, nous sommes encore loin d’une validation ferme et définitive. D’autres recherches seront nécessaires pour finaliser cet objectif.

Les fractures du plateau tibial sont des traumatismes représentant 1 % de toutes les fractures osseuses dans la population générale et 8 % dans la population des personnes âgées. Touchant les surfaces articulaires du genou, ces fractures induisent une perte de mobilité et nécessitent une prise en charge chirurgicale. En 2012, une nouvelle méthode mini-invasive nommée Tubéroplastie a été créée permettant la réduction de certains types de fractures du plateau tibial par le gonflement d’un ballonnet. Ce geste chirurgical, comme tous les gestes mini-invasifs, implique un planning pré-opératoire minutieux du fait de l’absence de visualisation directe des fragments osseux et du fait de l’interaction indirecte avec les fragments osseux. Ce travail de thèse avait pour objectif de développer et évaluer des méthodes et des outils numériques pour la planification de la prise en charge chirurgicale des fractures du plateau tibial, en intégrant les données morphologiques et comportementales spécifiques aux patients. Pour cela, trois approches numériques ont été développées et évaluées et une méthode expérimentale a été mise en œuvre et évaluée. La première approche numérique, basée sur l’analyse statistique de formes, permet de prédire statistiquement la forme saine d’un plateau tibial fracturé. La deuxième approche numérique propose la simulation numérique de la réduction de fracture du plateau tibial avec gonflement de ballonnet par modélisation patient-spécifique. La troisième approche propose la simulation numérique de la stabilisation de fracture du plateau tibial pour caractériser l’influence du type de stabilisation et de la durée de convalescence. Enfin, la méthode expérimentale mise en œuvre et évaluée permet la mesure des champs de déplacements volumiques associés aux fragments osseux, lors de la réduction de fractures. Bien que les modélisations numériques nécessitent d’être optimisées et validées avant d’être utilisées pour la prise de décisions cliniques, les trois approches numériques couplées pourraient mener à une simulation numérique complète du geste chirurgical.