Biomécanique de la colonne vertébrale

La loi d’euler.......................................... 11 Anatomie fonctionnelle ........................ 11

Biomécanique du Rachis Pré requis

Embryologie et ossification du rachis ... 12 Anatomie régionale .................................. 13 Rachis lombaire..................................... 13 Rachis thoracique (ou rachis dorsal) ..... 16 Rachis cervical ....................................... 18 Biomécanique de la colonne vertébrale ... 20

December 2011

Naissance, Phylogénèse ........................ 20 La marche bipède.................................. bipède.................................. 21 La verticalisation ................................... ................................... 21

Table des matières Définitions .......................................................2 Anatomie rachidienne .....................................3 Etude générale ............................................ 3 Mots clés ................................................. 3 Les vertèbres ........................................... 5 L'espace épidural (ou péridural).............. 6 Foramens intervertébraux (ou trous de conjugaison ou o u canaux de conjugaison) .. 6 Les disques intervertébraux .................... 6 Les ligaments ...........................................7 Articulations zygapophysaires ou

Equilibre ................................................ ................................................ 2 3 Equilibre hanche-genou-rachis ............. 25 Morphotypes et risques dégénératifs .. 34 Déséquilibres et compensation ............ 34 Altérations de l’équilibre ...................... 38 L’analyse de la posture ......................... 38 Cinétique ............................................... ............................................... 39 L’analyse du mouvement...................... 43 Biomécanique osseuse ............................. 44 Loi de Wolff ........................................... ........................................... 44 Stress sheilding ..................................... 44

interapophysaires postérieures .............. 8

Dynamisation de la greffe ..................... 44

Vascularisation et innervation................. 8

Caractéristiques mécaniques des os. .... 44

Muscles du rachis .................................... 9 Courbures ................................................ 9

PRE REQUIS A LA BIOMECANIQUE DU RACHIS Le rôle majeur du rachis est la protection de moelle épinière. En ce qui concerne la biomécanique, un rachis sein permet d’assurer une posture érigée stable mais aussi le mouvement et le maintien d’une position donnée. Les muscles permettent de maintenir la stabilité et d’actionner le mouvement par le biais de neuromoteurs. Le rachis est une structure complexe qui nécessite nécessite une analyse exhaustive permettant d’acquérir de nombreux paramètre et d’anticiper un geste chirurgical. Le résultat d’une intervention chirurgicale dépend de l’implant mais aussi de la stratégie opératoire utilisée. La biomécanique est donc intégrée en routine et requiert une bonne compréhension quant à ces critères et ces facteurs afin de mieux planifier le geste chirurgical.

Définitions •

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Biomécanique : « La biomécanique est l'exploration des propriétés mécaniques des organismes vivants ainsi que l'analyse des principes d'ingénierie faisant fonctionner les systèmes biologiques. Elle traite des relations existantes entre les structures et les fonctions à tous les niveaux d’organisation du vivant à partir des molécules, comme le collagène ou l’élastine, aux tissus et organes. La biomécanique caractérise les réponses spatio-temporelles des matériaux biologiques, qu'ils soient solides, fluides ou viscoélastiques, à un système imposé de forces et de contraintes internes et externes. » 2

Rachis : « La colonne vertébrale, ou rachis, est un empilement d'os articulés appelés vertèbres. Elle est le support du dos des vertébrés, notamment des mammifères. C'est sur la colonne vertébrale que sont fixées les côtes. Elle abrite la moelle épinière. Chez l'Homme, elle supporte la tête et transmet le poids du corps jusqu'aux articulations de la hanche. Elle est composée de 24 vertèbres (ou de 33 si on compte les vertèbres sacro-coccygiennes soudées) : sept vertèbres cervicales, douze thoraciques et cinq lombaires (plus cinq sacrées et quatre coccygiennes). La colonne vertébrale est courbée dans le plan sagittal médian, selon un plan frontal. Elle présente deux courbures primaires (concaves en avant), aussi appelées cyphoses, au niveau des rachis thoracique et sacré, ainsi que deux courbes co urbes secondaires (concaves en arrière) appelées lordoses au niveau des rachis cervical et lombaire. »

http://fr.wikipedia.org/wiki/Biomécanique http://fr.wikipedia.org/wiki/Colonne_vertébrale

Pré requis à la biomécanique du rachis – Didier Guillon-Cottard – Décembre 2011

Anatomie rachidienne Etude générale Cervical Vertebrae (C1 to C7)

La colonne vertébrale (rachis) constitue avec le crâne le squelette axial postérieur. Elle se divise en quatre segments, de haut en bas: le rachis cervical formé de 7 vertèbres; le rachis thoracique (ou dorsal) formé de 12 vertèbres sur lesquelles s'appuient les côtes; le rachis lombaire, formé de 5 vertèbres; le segment sacrococcygien constitué du sacrum et du coccyx formé de vertèbres soudées (5 vertèbres pour le sacrum, et 4 ou 5 vertèbres pour le coccyx).

Thoracic Vertebrae (T1 to T12)

Lumbar Vertebrae (L1 to L5)

Elle s'articule en haut avec le crâne et en bas avec le bassin. Sacrum (S1 to S5)

Mots clés

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Les vertèbres Chaque vertèbre, à l'exception des deux premières vertèbres cervicales et du sacrum, a des caractéristiques générales assez similaires. Elle est formée en avant d'un corps vertébral et d'un arc osseux postérieur ou arc neural. Le corps vertébral est essentiellement constitué de substance spongieuse, délimitant des espaces remplis de tissu hématopoïétique. Ceci explique l'importance du système veineux représenté notamment par une volumineuse veine basivertébrale qui sort à la face postérieure du corps vertébral et se draine dans les plexus épiduraux. Avec le vieillissement, l'os spongieux devient graisseux. Les faces supérieures et inférieures du corps constituent les plateaux vertébraux. L'arc postérieur est formé de deux pédicules, de deux lames vertébrales, d'un processus (apophyse) épineux, de deux processus (apophyses) transverses et de quatre processus (apophyses) articulaires. La première vertèbre cervicale o u atlas se présente sous la forme d'un anneau constitué par deux colonnes latérales ou masses latérales réunies par deux arcs osseux, antérieur et postérieur. La deuxième vertèbre cervicale ou axis se rapproche plus de la vertèbre cervicale type mais présente la particularité de posséder une apophyse volumineuse ou dent (ou apophyse odontoïde) qui se détache de la face supérieure du corps vertébral et s'engage dans le foramen atloïdien pour s'articuler à la face postérieure de l'arc antérieur de C1.

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Le canal vertébral Le canal vertébral occupe toute la hauteur du rachis (à l'exc eption du coccyx). Il est limité en avant par les faces postérieures des corps vertébraux et le bord postérieur des disques intervertébraux, revêtus par le ligament longitudinal postérieur (ou ligament vertébral commun postérieur) ; en arrière, par les lames vertébrales et les ligaments jaunes ; et latéralement (récessus latéraux ou défilés inter-disco-ligamentaires) par les pédicules et les foramens intervertébraux et les articulations zygapophysaires. Le canal rachidien c ontient la moelle épinière et les méninges rachidiennes, les nerfs spinaux qui en émergent, les plexus veineux intrarachidiens et le tissu cellulo-graisseux de l'espace épidural. La moelle se termine au niveau de la deuxième vertèbre lombaire (cône terminal) et le sac dural au niveau de la 2ème pièce sacrée (le plus souvent). La morphologie du c anal vertébral varie : prismatique triangulaire dans la région cervicale ; cyl indrique dans la région thoracique et lombaire supérieure ; prismatique triangulaire dans les régions lombaire et sacrée. C'est au niveau de la première vertèbre cervicale (trou atloïdien) qu'il présente sa plus grande surface de section. Les dimensions canalaires sont liées à la mobilité du segment rachidien.

L'espace épidural (ou péridural) C'est un espace de glissement compris entre la dure-mère et les parois osseuses du canal vertébral. Il contient de la graisse en quantité variable, des vaisseaux, notamment des plexus veineux (plexus veineux intrarachidiens très développés dans l'espace épidural antérieur), des nerfs (nerf sinuvertébral) des ligaments (ligament longitudinal postérieur, ligaments jaunes). Il améliore les rapports mécaniques entre sac dural et paroi osseuse et s'adapte aux dimensions du canal et du sac dural. Il est divisé en espace épidural antérieur et postérieur. Il est parcouru par des tractus fibreux qui fixent partiellement la dure-mère au ligament longitudinal postérieur. Sa description est détaillée à l'étage lombaire (II - I).

Foramens intervertébraux (ou trous de conjugaison ou canaux de conjugaison) Orifices situés sur les parties latérales du rachis, limités en haut et en bas par les pédicules, en avant par les corps vertébraux et le disque et en arrière par l'articulation zygapophysaire (et le lig ament jaune), ils commencent en C2-C3. Le dernier foramen est le plus étroit et livre passage au 5ème nerf lombaire qui est le plus volumineux de tous les nerfs lombaires. Chaque foramen livre passage au nerf spinal (et ganglion spinal), à des plexus veineux, à l'artère et aux veines radiculaires, au nerf sinuvertébral. Il contient également dans des pro portions variables de la graisse. Les foramens cervicaux forment un angle approximativement de 45deg. avec l'axe antéro-postérieur du rachis et une inclinaison caudale d'environ 15deg. avec l'horizontale. Les foramens lombaires et thoraciques ont une orientation uniquement latérale.

Les disques intervertébraux Les corps vertébraux sont unis entre eux par l'intermédiaire des disques intervertébraux dont l'épaisseur varie entre 3 mm (premiers disques thoraciques), 5 à 6 mm (disques cervicaux) et 10 à 15 mm (disques lombaires). Dans les régions cervicale et lombaire, le disque est plus épais en avant Page 6 sur 45


qu'en arrière. Le disque est constitué de trois parties, l'une, périphérique, l'anneau fibreux (annulus fibrosus) l'autre, centrale, noyau pulpeux (o u nucleus pulposus) de topographie habituellement excentrique, plus près du bord postérieur que du bord antérieur, la troisième partie correspondant à la plaque cartilagineuse. La composition histochimique du disque de l'adulte comprend, dans des proportions variables, des protéoglycanes, de l'eau (65 à 90%) et des fibres de collagène (type I et II) .

Les ligaments Le ligament longitudinal antérieur (ou ligament vertébral commun antérieur) est un ruban fibreux qui tapisse les faces antérieure et latérale des corps vertébraux et des disques intervertébraux. Le ligament longitudinal postérieur (ou lig ament vertébral commun postérieur) est une bande fibreuse étroite, verticale, médiane, tendue depuis l'occipital jusqu'au sacrum, qui adhère intimement à la face postérieure des disques, et qui passe en pont au niveau de la partie moyenne des corps vertébraux dont il reste séparé par de gros plexus veineux. Il s'élargit au niveau des disques et se rétrécit en arrière des corps vertébraux. Les arcs postérieurs sont réunis entre eux par plusieurs ligaments. Les lames vertébrales sont réunies les unes aux autres par les ligaments jaunes (ligaments interlamaires) puissants, élastiques, qui ferment en arrière le canal rachidien, latéralement ils s'étendent en avant et se confondent avec les capsules des articulations zygapophysaires. Les processus épineux sont réunis entre eux par les ligaments interépineux et à leur sommet par le ligament surépineux qui, dans la région cervicale, prend l'aspect d'une cloison sagittale médiane triangulaire à base occipitale : le ligament cervical postérieur ou nuchal. Les processus transverses sont unis entre eux par les ligaments intertransversaires qui n'existent qu'au niveau thorac ique et lombaire.

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Articulations zygapophysaires ou interapophysaires postérieures Les surfaces articulaires sont unies par une capsule mince dans la région cervicale, épaisse dans les régions thoracique et lombaire, et tapissées par une synoviale, qui, dans la région cervicale, envoie un prolongement postérieur entre la lame et le ligament jaune. Le ligament jaune s'étend en avant pour se confondre avec la capsule de l'articulation inter-apophysaire postérieure. L'interligne articulaire à l'étage cervical et thoracique se rapproche du plan frontal et à l'étage lombaire du plan sagittal (avec des variations en fonction du niveau vertébral).

A : Articulation interapophysaire

Vascularisation et innervation A l'exclusion de sa partie cervicale, le rachis est vascularisé par des artères métamériques, d'origine aortique, artères lombaires (rachis lombaire) et intercostales (rachis thoracique). Ces artères donnent notamment une branche dorso-spinale qui se distribue en partie aux parois du canal rachidien. Le drainage veineux des vertèbres se fait dans les plexus veineux intrarachidiens antérieurs (avalvulés), situés en arrière des corps vertébraux, et reliés par des veines longitudinales qui communiquent avec les plexus extra-rachidiens par l'intermédiaire des veines des foramens intervertébraux. L'innervation du rachis lombaire est assurée par le nerf sinuvertébral de Luschka (né de deux racines, l'une spinale, l'autre sympathique) et de la branche dorsale du nerf rachidien. L'annulus fibrosus et le ligament longitudinal postérieur sont très innervés (et peuvent être à l'origine de douleurs discogéniques). La partie centrale du disque par contre n'est pas innervée. Page 8 sur 45


Muscles du rachis Les muscles agissent sur la stabilité et la mobilité du rachis. Il existe des muscles extenseurs (muscles paravertébraux, muscles de la nuque) et des muscles fléchisseurs (psoas iliaque, carré des lombes et muscles de la paroi abdominale).

Courbures Dans le plan sagittal, on distingue une courbure cervicale à convexité antérieure (lordose cervicale), une courbure thoracique à concavité antérieure (cyphose thoracique), une courbure lombaire à convexité antérieure (lordose lombaire), une courbure pelvienne à concavité antérieure (cyphose Page 9 sur 45


sacrée). Ces courbures sagittales sont variables avec l'âge : le nouveau-né et le nourrisson ne possèdent qu'une courbure dorsale à convexité postérieure. La courbure cervicale apparaît avec la position assise et la courbure lombaire avec l'orthostatisme (la courbure dorsale est la courbure principale primitive alors que les deux autres sont des courbures secondaires, de compensation, liées à la position debout). Dans le plan frontal il peut exister également au niveau de la région thoracique une discrète courbure à concavité gauche (de la 3 à la 6e vertèbre thoracique).

La base sacrée initialement perpendiculaire au rachis lombaire s’incline de 37° en avant par rapport à l’axe vertical. On peut rapprocher cette donnée morphotypologique des travaux d’Eric Viel qui constate lors du passage de la position debout à la position assise une bascule postérieure de 40° environ. L’inclinaison actuelle de la base sacrée sur l’horizontale en position debout disparaît donc en position assise avec une base sacrée horizontale et un rachis lombaire rectiligne. Cette antéversion pelvienne évolue parallèlement avec l’antéversion fémorale. On constate également un déplacement de l’insertion de la musculature sur la crête iliaque qui permettra une dissociation troncbassin indispensable à la tridimensionnalité de la marche (pas pelvien dans un plan horizontal). - L’antéversion pelvienne entraîne une lordose lombaire de compensation que l’on mesure en moyenne à 45°, entre le plateau supérieur le plus incliné sur l’horizontale au niveau de la charnière thoraco-lombaire et le plateau inférieur de L5. - Le nombre de vertèbres lombaires augmentent progressivement jusqu’à atteindre 5 vertèbres contribuant à la dissociation du tronc et de la ceinture pelvienne. - La cyphose thoracique est habituellement mesurée entre T4 et la vertèbre transitionnelle thoraco-lombaire, en moyenne 37°. - Au niveau cervical la lordose favorise l’horizontalisation du regard et globalement il existe une alignement Tragus-AcromionTrochanter-Malléoles. - La transformation de la cyphose initiale en 3 courbures permet d’augmenter la résistance du rachis selon la loi d’Euler et de diminuer les tensions musculaires.

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La loi d’euler Cette formule est beaucoup utilisée ; elle est pourtant décrirée et pourrait faire l’objet d’un retoquage lors d’une soumission de dossier à des hautorités de santé. « L'existence des courbures vertébrales trouve, selon de nombreux auteurs, une justification dans les propriétés de résistance que celles-ci confèrent à la colonne vertébrale. Cette justification s'appuie sur une loi mathématique représentative du phénomène physique de flambement (aussi appelé flambage) des poutres utilisée pour calc uler les charges critiques supportables par des poutres soumises à des compressions axiales et d'en prévoir la déformation. Elle est connue sous le nom de « Formule d'Euler ». Bien que la théorie d'Euler existe réellement pour de tels phénomènes, ses 2 résultats n'ont jamais été énoncés sous la forme simpliste R = N + 1 que l'on connaît en physiologie articulaire ou en biomécanique. Cette formulation, en l'état, ne répond à aucune démarche 3 scientifique. Elle est pourtant reprise et démontrée comme telle depuis plus d'un siècle. »

Anatomie fonctionnelle Lors des mouvements de flexion et d'extension, l a morphologie du canal vertébral et des foramens intervertébraux se modifie : allongement du canal ; déformation du foramen intervertébral (notamment en extension rétrécissement de sa partie inférieure par bombement du ligament jaune, de la capsule et protrusion discale).

3 Annales de Kinésithérapie Vol 27, N° 3 - avril 2000 p. 119 éditions Masson, Paris, 2000 P. Seyrès , R. Huchon (source) Page 11 sur 45


Embryologie et ossification du rachis Le rachis osseux est précédé chez l'embryon d'une colonne vertébrale membraneuse axée autour de la notochorde. A la fin de la période mésenchymateuse, la segmentation vertébrale est achevée (troubles de segmentation = blocs vertébraux). Puis lui succède le stade de la phase cartilagineuse marqué par la chondrification des différents éléments constitutifs de la vertèbre (les troubles de cette phase expliquent les malformations morphologiques, vertèbres en aile de papillon, hémivertèbres). Après le stade cartilagineux survient le stade d'ossification (à partir du deuxième mois). L'ossification primaire du corps vertébral se fait à partir de centres primitifs principaux et accessoires, qui vont fusionner. L'ossification des arc s postérieurs, sensiblement concomitante à celle du cor ps vertébral, est réalisée sous forme de deux noyaux symétriques dont la fusion est constatée dans les deux premières années de la vie. Vers l'âge de 5 à 6 ans le corps et l'arc postérieur de chacune des vertèbres, à l'exclusion des dernières pièces coccygiennes, forment une masse osseuse sans discontinuité. Les points primitifs d'ossification du corps vertébral, de chacun des arcs neuraux, en s'étendant progressivement, se sont rejoints et ont finalement fusionné tandis que disparaissaient les synchondroses postérieures et neuro-centrales. Au cours de la deuxième décennie survient l'ossification du listel marginal (plaque cartilagineuse située dans les dépressions marginales en marches d'escaliers des angles supérieur et inférieur du corps vertébral). Le listel fusionne totalement avec le corps vertébral au bout de plusieurs années après la puberté. Certaines vertèbres ont une ossification particulière. C'est notamment le cas de l'axis. L'apophyse odontoïde se soude au corps de l'axis approximativement vers la quatrième année et présente notamment un centre d'ossification secondaire à son sommet qui apparaît vers l'âge de deux ans et se soude tardivement au reste de l'apophyse vers l'âge de 12 ans. Le disque montre à la naissance un nucleus, qui provient des cellules de la notochorde, se distinguant très nettement de l'annulus. En outre le disque est richement vascularisé à partir des plateaux vertébraux. Cette vascularisation régresse à partir de la deuxième décennie et disparaît à l'âge adulte.

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Anatomie régionale Rachis lombaire Structures osseuses Le corps vertébral a un diamètre transversal supérieur au diamètre antéro-postérieur. Il a grossièrement la forme d'un cylindre. Sa surface circonférentielle est convexe en avant et sur les côtés, concave en arrière au niveau de sa face postérieure qui présente à sa partie centrale une gouttière où s'ouvrent les orifices vasculaires des veines et des artères de la vertèbre avec une très nette prédominance du système veineux par rapport au système artériel. Les faces supérieure et inférieure sont légèrement excavées. La hauteur du corps vertébral est à peu près identique en avant et en arrière sauf au niveau des vertèbres extrêmes : le corps de la première vertèbre lombaire est plus haut en arrière qu'en avant et à l'inverse celui de la 5ème lombaire est plus haut en avant qu'en arrière. Le corps de L5 est incliné en bas et en avant.

Les pédicules sont épais, constitués essentiellement d'os cortical et ont une direction antéropostérieure. Les épineuses sont épaisses, horizontales, très développées. Les transverses (costiformes) se dirigent en dehors et un peu en arrière et sont constituées surtout d'os spongieux. Les transverses de la troisième vertèbre lombaire sont g énéralement les plus longues. La facette articulaire des processus articulaires crâniaux (supérieurs) est orientée en dedans et en arrière et présente une surface concave, celle des articulaires caudales (inférieures) est orientée en dehors et en avant et présente une surface articulaire convexe. Ainsi la surface co nvexe du processus articulaire supérieur et la surface concave de l'articulaire inférieure s'articulent pour former l'articulation inter-apophysaire postérieure ou articulation interfacettaire ou zygapophysaire. Le plan d'orientation des facettes articulaires varie de haut en bas : se rapprochant du plan sagittal pour les vertèbres les plus hautes et du plan frontal pour les vertèbres les plus basses. Il existe en outre assez fréquemment (entre 20 et 30 %) des asymétries d'orientation des facettes articulaires.

Le disque intervertébral Plus haut en avant qu'en arrière (expliquant la lordose lombaire) la hauteur moyenne des disques intervertébraux lombaires chez l'adulte est normalement de 8 à 15 mm sauf en L5-S1 où elle est approximativement de l'ordre de 5 mm. En coupe axiale, les 4 premiers disques ont un bord postérieur concave ou plat, en L5-S1 le disque a un bord postérieur plat ou légèrement convexe en arrière.

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Le disque est constitué de 3 parties : la plaque cartilagineuse, l'annulus fibrosus et le nucleus pulposus. La plaque cartilagineuse (environ 1 mm d'épaisseur) s'intercale entre la partie centrale des plateaux vertébraux et le disque auquel elle adhère très intimement. Elle est constituée notamment de cartilage hyalin (sujet jeune) et de fibrocartilage (surtout sujet âgé). C'est un site important de diffusion hydrique entre nucleus et corps vertébral. L'annulus fibrosus est une enveloppe entourant le nucleus pulposus. Il est constitué de fibres collagènes courtes, plus épaisses en avant qu'en arrière, fixées en périphérie aux plateaux vertébraux par les fibres de Sharpey, et bordé par les ligaments longitudinaux antérieur et postérieur. Des fissurations c oncentriques et transverses sont fréquemment visualisées au niveau de l'annulus. Il faut distinguer l'annulus périphérique où prédomine le collagène de type I (identique à celui des tendons) capable de résister aux sollicitations de tractions et l'annulus interne qui contient du collagène de type II, plus hydraté. Le nucleus pulposus, reliquat de la notochorde embryonnaire, est une matrice gélatineuse incompressible riche en protéoglycanes (qui existe également en faible quantité dans l'annulus) et moins riche en collagène que l'annulus. Il est fortement hydraté (85 à 90 % d'eau). Il est le plus souvent en position excentrique (à l'union des 2/3 antérieurs et du 1/3 postérieur), exceptionnellement en position centrale. Il est habituel de voir à l'âge adulte une bande fibreuse se développer au centre du nucleus. Chez le nourrisson jusqu'à l'âge de 2 ans le nucleus occupe une large portion du disque et reste bien séparé de l'annulus (disque immature). Vers l'âge de 10 ans la démarcation entre nucleus et annulus se perd peu à peu (disque transitionnel). Chez l'adulte (disque mature) où la dissociation entre annulus et nucleus n'apparaît plus nettement il est préférable de parler (notamment en IRM.) de complexe central composé du nucleus et de la partie interne de l'annulus et de complexe périphérique constitué de la partie externe de l'annulus (no tamment fibres de Sharpey qui s'insèrent à la périphérie des plateaux vertébraux sur le listel marginal).

Articulations zygapophysaires (interapophysaires postérieures) Les surfaces articulaires des articulations interapophysaires postérieures sont revêtues de cartilage hyalin (2 à 4 mm d'épaisseur). Elles sont unies par une capsule articulaire épaisse et renforcées du côté du canal rachidien, sur sa face médiale, par le ligament jaune. Cette capsule, qui forme deux récessus, un antéro-supérieur (intracanalaire) et un postéro-inférieur (le plus volumineux), est tapissée de synoviale et contient des franges graisseuses notamment au niveau de la partie supérieure de l'articulation, mais aussi à sa partie inférieure en extra-capsulaire. On peut également constater des invaginations capsulaires méniscoïdes intra-articulaires. A la partie supérieure du rachis lombaire ces articulations ont une orientation pratiquement sagittale, et à la partie inférieure une orientation pratiquement frontale.

Le canal rachidien lombaire et canal de conjugaison Le canal rachidien est formé de 4 parois. Une paroi antérieure: face postérieure des corps vertébraux et bord postérieur des disques intervertébraux, le tout revêtu par le ligament longitudinal postérieur (ou ligament vertébral commun postérieur). Une paroi postérieure : formée sur la ligne médiane par les lames vertébrales réunies entre elles par les ligaments jaunes qui recouvrent partiellement la face antérieure des lames vertébrales sus-jacentes et latéralement la partie supéro-interne de la capsule articulaire postérieure. Cette paroi postérieure est complétée latéralement par les processus articulaires et les articulations postérieures. Deux parois latérales : représentées par les pédicules et interrompues par les foramens intervertébraux. Le canal rachidien se divise en : * canal central qui contient le sac dural et qui est constitué par la succession de segments fixes (anneaux osseux formés par les corps vertébraux des pédicules et des lames) et de segments mobiles (disques intervertébraux, articulaires postérieures et ligament jaune). La largeur du canal augmente régulièrement de L1 à L5. Son diamètre antéro-postérieur est normalement supérieur à 15 mm.

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* canal radiculaire (ou canal latéral) où circule la racine depuis son émergence du sac dural jusqu'à sa sortie du foramen. Ce canal latéral est subdivisé de haut en bas en trois segments : défilé interdiscoarticulaire, récessus latéral, canal de conjugaison (ou foramen intervertébral). Dans le défilé interdisco-articulaire la racine (segment discal) est située entre le disque intervertébral en avant et l'apophyse articulaire supérieure en arrière. C'est le lieu d'élection des conflits discoradiculaires. Dans le récessus latéral la racine (segment pédiculaire) chemine au niveau de la face interne du pédicule. Ce récessus est compris entre la face postérieure du corps vertébral en avant, la face médiale du pédicule en dehors, la base de l'articulaire supérieure en arrière. Le récessus latéral n'existe qu'inconstamment en L4 (72 % des cas) et constamment en L5-S1. Son diamètre antéropostérieur mesuré à sa partie supérieure, la plus étroite, est normalement supérieur ou égal à 5 mm. Le canal de conjugaison (trou de conjugaison, foramen intervertébral) limité en bas et en haut par les pédicules, en avant par le corps vertébral et le disque (tapissé du ligament longitudinal postérieur) et en arrière par l'articulation zygapophysaire recouverte du ligament jaune et l'isthme. Dans le plan sagittal on peut distinguer un plan foraminal externe ou pédiculo-articulaire (pédicule articulaire supérieur) et un plan foraminal interne ou pédiculo-isthmique (isthme et facettes articulaires). La hauteur du foramen est conditionnée par c elle du disque. A la partie supérieure du foramen se trouve la racine nerveuse qui s'élargit à cet endroit pour former le ganglion spinal (rac ine postérieure). La partie inférieure du foramen est occupée par la graisse et les veines. Le foramen est également traversé par des branches artérielles et le nerf sinuvertébral ainsi que par les ligaments transforaminaux et corporéo-transversaires. Le canal lombaire contient essentiellement le fourreau dural, les racines nerveuses, la graisse et les veines de l'espace épidural. Le fourreau dural (ou sac dural) occupe le canal central et contient le cône terminal, les racines de la queue de cheval qui entourent le filum terminal, les méninges molles, les vaisseaux spinaux et le liquide c éphalorachidien. Sa paroi est constituée de la juxtaposition de la dure-mère et de l'arachnoïde. Le liquide céphalo-rachidien est situé dans l'espace sous-arachnoïdien. La taille et la terminaison (cul de sac) du sac dural sont variables (cul de sac se situant à hauteur de S1 o u S3). Les émergences radiculaires se font soit en regard du disque soit un peu au-dessus, soit un peu en dessous. Les racines sont entourées de gaines radiculaires. Elles cheminent dans le canal radiculaire, au niveau du récessus latéral puis dans le foramen où elles s'élargissent pour former le ganglion spinal. Le sac dural et la gaine des racines sont fixés à la paroi antérieure du canal par les ligaments de Hofmann.

Espace épidural lombaire L'espace épidural est compris entre la dure-mère et les parois osseuses du canal rachidien. Il contient de la graisse, des ligaments, des nerfs et des vaisseaux notamment un important réseau v eineux. L'espace épidural est également traversé par des tractus fibreux qui fixent le sac dural et les gaines radiculaires à la paroi du canal (ligaments de Hofmann). Au niveau de l'espace épidural antérieur, les plexus veineux et le ligament longitudinal postérieur constituent les structures les plus remarquables de cette région. Le ligament longitudinal postérieur est une structure fibreuse qui s'élargit en regard des disques intervertébraux et se rétrécit en regard des corps vertébraux. Au niveau des disques il adhère très fortement à la périphérie de l'annulus. Les fibres profondes s'insèrent sur le listel marginal. Par contre le ligament n'adhère pas à la face postérieure des corps vertébraux dont il est séparé par de la graisse et des structures vasculaires. C'est dans cet espace pré-ligamentaire qu'il a été décrit un septum médian tendu entre la face postérieure du corps vertébral, en s'insérant sur un épaississement périosté, et le ligament longitudinal postérieur. L'ensemble (septum-ligament) ayant sur les co upes axiales transverses la forme d'un "T" renversé. Le septum médian est surtout visualisé à la partie inférieure du rachis lombaire et délimite ainsi, au niveau de l'espace épidural antérieur pré-ligamentaire, deux compartiments, un droit et un gauche, susceptibles d'orienter la migration des hernies discales. Il existe également une membrane péridurale, fibreuse, qui s'étend, de c haque côté, entre le ligament longitudinal postérieur et la surface postérieure des corps vertébraux. A l'étage discal ces structures Page 15 sur 45


ligamentaires se confondent avec l'annulus. La membrane péridurale est parcourue sur sa face dorsale par des veines qui la traversent en de multiples endroits pour s'étendre sur le corps vertébral. Cette membrane double le canal osseux tout autour de la dure-mère, se prolongeant dans les foramen autour des racines. La veine basivertébrale émerge à la face postérieure du corps vertébral (entre la vertèbre et le ligament longitudinal postérieur) et se réunit à l'anastomose rétrocorporéale qui met en communication les veines longitudinales antérieures. Celles-ci sont disposées de part et d'autre du ligament longitudinal postérieur en veines épidurales antéro-latérales internes et externes. Il existe donc de part et d'autre du ligament longitudinal postérieur deux groupes de systèmes veineux longitudinaux avec des anastomoses transversales en barreaux d'échelle. Ces plexus se drainent dans les veines lombaires ascendantes et azygos. La graisse de l'espace épidural antérieur est surtout abondante en arrière de L5, L5-S1 et S1. L'espace épidural postérieur est compris entre la face postérieure de la dure mère et les ligaments jaunes, recouvrant partiellement les lames vertébrales. Il co ntient du tissu graisseux abondant et des plexus veineux. Un cloisonnement médian de cet espace a été retenu par certains auteurs et attribué à la présence d'un pli médian de la dure mère (plica médiana dorsalis). En fait cette plica, semble-t-il, n'a jamais été visualisée spontanément en imagerie et paraît plutôt correspondre, au moins en partie, à un artefact de décollement du tissu graisseux. Les ligaments jaunes forment la limite postérieure de cet espace épidural et sont bien visualisés dans le plan axial transverse où leur épaisseur est normalement de 3,5 à 5,5 mm. C'est dans la région lombaire qu'ils sont le plus épais. Leur constitution riche en élastine et faible en collagène type I explique que l'intensité du signal IRM. du ligament jaune en pondération T1 est légèrement plus élevée que celle des autres ligaments rachidiens. Chaque ligament s'insère en haut sur la face antérieure de la lame sus-jacente et en bas le bord supérieur de la lame sous-jacente. Il recouvre la partie antéro-interne de la capsule articulaire interfacettaire.

Rachis thoracique (ou rachis dorsal) Structures osseuses Aux extrémités sont disposées les vertèbres transitionnelles TI, TI0 , TII, TI2. Processus épineux est long, oblique en caudal, descend à la moitié du corps de la vertèbre sous jacente. Processus transverse est très long, oblique en dorsal, en forme de ma ssue, il présente une facette articulaire pour une côte (il existe six facettes articulaires costales sur une vertèbre thoracique). Processus articulaire est fortement verticalisé dans un plan frontal; la surface articulaire craniale regarde en dorsal, la surface articulaire caudale regarde en ventral. Le Foramen Vertébral est arrondi et petit.

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T I, T IO, T I1, TI2 présentent des variations de nombres des facettes articulaires costales. (voir schéma) Au niveau du rachis thoracique on note la présence des surfaces articulaires costales. L'orientation des surfaces articulaires des processus articulaires est dans un plan frontal.

Les corps vertébraux Ils sont convexes en avant et concaves en arrière. Le diamètre antéro-postérieur est égal au diamètre transversal. A la partie postérieure des faces latérales du corps vertébral, il existe des surfaces articulaires : les fovea costales, deux crâniales (supérieures), deux caudales (inférieures). Les corps de D11 et D12 ne possèdent pas de fovea costale. Le corps de D10 n'a pas de facette costale inférieure. Les pédicules sont obliques en arrière et en dehors. Les lames sont larges et courtes. Elles sont verticales et se superposent (absence d'espace interlamaire). Le processus épineux est long et très oblique en arrière et en bas. Les processus articulaires ont une situation frontale. Les facettes articulaires crâniales (supérieures) sont orientées en arrière en haut et en dehors, les facettes articulaires caudales (inférieures) sont orientées en avant en bas et en dedans. Les processus transverses sont obliques en dehors et en arrière. A la face antérieure de leur sommet il existe une facette articulaire qui répond à la tubérosité costale.

Le canal vertébral Il a un diamètre relativement constant et une morphologie circulaire, sauf au niveau de la région thoracique haute où il se rapproche de la morphologie du canal cervical et à la région thoracique basse où il prend un aspect triangulaire. Le diamètre des foramens est réduit par les têtes costales.

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Les disques intervertébraux Ils sont moins épais que les disques lombaires ou cervicaux. Ils ont une épaisseur de l'ordre de 3 à 5 mm qui est dans l'ensemble assez uniforme sur toute la hauteur du rachis thoracique. La cyphose thoracique est liée à la disparité entre la hauteur antérieure et postérieure des corps vertébraux.

Espace épidural La graisse épidurale est abondante en arrière du fourreau dural et latéralement dans les foramen intervertébraux. Par contre il y a moins de graisse au niveau de la partie antérieure de cet espace épidural que dans la région lombo-sacrée. Le ligament longitudinal postérieur (de même que le ligament longitudinal antérieur) est plus épais que dans les régions cervicale et lombaire.

Rachis cervical Il est constitué de deux segments : la charnière crânio-rachidienne et le rachis cervical inférieur de C3 à C7.

Structures vertébrales La vertèbre cervicale type présente un c orps quadrangulaire dont la face supérieure est caractérisée par la présence d'uncus, surélévations latérales du plateau supérieur, surtout développées à sa partie postérieure, et qui s'adaptent dans les encoches correspondantes postéro-latérales du plateau inférieur sus-jacente. Il s'agit d'une pseudo-articulation, dénommée articulation unco-vertébrale de Luschka. Les pédicules sont très courts, obliques en arrière et en dehors. Les processus transverses ont la morphologie de gouttières, et sont percées d'un foramen transversaire dans lequel chemine le paquet vasculo-nerveux vertébral (le plus souvent à partir de C6). Le processus transverse se termine par deux tubercules (1 antérieur, 1 postérieur). Les processus articulaires sont volumineux et présentent 2 facettes articulaires, une supérieure orientée en arrière et en haut, une inférieure orientée en avant et en bas. Les lames sont longues et emboîtées les unes sur les autres (les espaces interlamaires sont étroits sauf en C1-C2). L es processus épineux sont bifides sauf en C7 qui a la particularité d'avoir l'épineuse la plus longue. Le foramen à la même orientation que le processus transverse (oblique en dehors de 40deg. avec le plan sagittal et vers le bas de 15deg. avec le plan horizontal).

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Deux vertèbres ne répondent pas à cette description, l'atlas et l'axis : l'atlas (première vertèbre cervicale) est dépourvue de corps et d'épineuse, elle est formée d'un arc postérieur réuni par deux masses latérales qui supportent le poids de la tête. Elles présentent chacune 4 faces : une face supérieure, orientée en haut et en dedans qui s'articule avec le condyle occipital, une face inférieure orientée en bas et en dedans qui répond à l'articulaire supérieure de l'axis, une face externe avec le processus transverse, une face interne avec le tubercule d'insertion du ligament transverse. L'axis (deuxième vertèbre cervicale) est caractérisée par la présence d'une grosse apophyse située sur la face supérieure du corps : l'odontoïde, qui présente 4 portions : la base, le col, le co rps, l'apex. Ses processus articulaires sont décalées les uns par rapport aux autres : les supérieurs sont situés de part et d'autre de l'apophyse odontoïde et sont orientés en haut et en dehors, les inférieurs sont situés plus en arrière, sous les lames. Son épineuse est hypertrophiée, plus volumineuse que les sous jacentes.

Canal vertébral cervical Il est triangulaire à sommet postérieur ; il diminue de taille de C1 à C3. Le diamètre antéro-postérieur minimum est de 18 mm en C1, 16 mm en C2, 13 mm de C3 à C6 et 14 mm en C7. Il contient la moelle épinière et les racines rachidiennnes, entourées par les enveloppes méningées. La dure-mère est séparée des parois du canal par l'espace épidural sauf a son extrémité supérieure où elle se fixe à la face postérieure du corps de l'axis et au périoste du trou occipital.

L'espace épidural L'espace épidural cervical entoure la dure-mère qui devient libre sous le corps de l'axis. Il est situé entre la dure-mère et les parois du canal limité en avant par le ligament longitudinal postérieur les disques et les corps vertébraux et arrière par les ligaments jaunes et les lames. Les ligaments jaunes sont moins épais qu'à l'étage lombaire. L'espace épidural cervical est pauvre en graisse contrairement à l'espace épidural lombaire, mais riche en plexus veineux qui s'étendent latéralement dans les foramens, notamment à leur partie supérieure, et moulent les éléments nerveux foraminaux.

Foramen intervertébral Il est limité par l'articulation zygapophysaire (recouverte par le ligament jaune) en arrière, les corps, le disque et l'uncus en avant et les pédicules en haut et en bas. Ils contiennent à leur partie inférieure les racines rachidiennes (racines antérieure, racine postérieure avec le ganglion spinal) et à leur partie supérieure des veines, les plexus veineux foraminaux qui moulent les structures nerveuses. Il existe huit paires rachidiennes cervicales de chaque côté, C8 sortant par le foramen C7-D1. Ils sont orientés vers l'avant à 45deg. par rapport au plan sagittal et se prolongent par les gouttières transversaires perforées par le foramen de l'artère vertébrale. La superposition des foramens transversaires constitue le canal transversaire qui contient le paquet vasculo-nerveux vertébral séparé du disque par l'uncus.

Le disque Les disques intervertébraux ont une composition identique à celle des disques thoraciques et lombaires. Leur expansion latérale est limitée par la présence d'uncus qui évitent le bombement latéral du disque et par là une éventuelle compression de l'artère vertébrale. Ils ont une morphologie cunéiforme, plus épais à leur partie antérieure avec pour conséquence la lordose cervicale.

Les articulations des processus articulaires Ces articulations sont des arthrodies constituées d'une c apsule fibreuse revêtue d'une membrane synoviale et renforcée en arrière par un ligament. Chaque surface articulaire est revêtue d'un Page 19 sur 45


cartilage. L'interligne est oblique par rapport à un plan horizontal (les facettes articulaires, dans le plan frontal, sont inclinées de haut en bas et d'avant en arrière approximativement de 45deg.). Cette obliquité plus importante au niveau du rachis cervical qu'au niveau du rachis lombaire ou thoracique et la présence de capsule plus lâche permet des mouvements étendus.

Articulations de la charnière crânio-rachidienne Les articulations entre les condyles occipitaux et l'atlas, l'atlas et l'axis, l'o dontoïde et l'atlas, sont des articulations synoviales. L'articulation de l'occipital avec l'atlas, articulation atlanto-occipitale, met en rapport les condyles occipitaux, convexes d'avant en arrière, obliques en avant et en dedans et les cavités glénoïdes de l'atlas, souvent bilobées, obliques en avant et en dedans, à surface concave. Des ligaments renforcent la capsule (membrane atlanto-occipitale antérieure et postérieure). Les articulations latérales entre l'atlas et l'axis, articulations atlanto-axoïdiennes latérales, sont situées dans un plan plus antérieur que les facettes sous-jacentes. Les surfaces articulaires de l'atl as sont légèrement concaves (rendues convexes par le cartilage d'envoûtement) et orientées en bas et en dedans. Les surfaces articulaires de l'axis sont orientées en haut et en dehors. La capsule est renforcée par les membranes atlanto-axoïdiennes antérieure et postérieure. L'articulation entre l'atlas et la dent (l'odontoïde), atlanto-axoïdienne médiane, (ou atloïdoodontoïdienne), est une trochoïde (un pivot, l'odontoïde, autour duquel tourne l'atlas et la tête). La face antérieure de l'odontoïde s'articule avec l'arc antérieur de l'atlas et sa face postérieure avec le ligament transverse. De nombreux ligaments peuvent être identifiés au niveau de la charnière crânio-rachidienne : le ligament de l'apex de la dent et les ligaments alaires entre l'occipital et l'o dontoïde ; le ligament cruciforme et le ligament occipito-axoïdien (membrana tectoria) entre l'occipital et le corps de l'axis ; les membranes atlanto-axoïdiennes antérieures et postérieures des articulations atlanto-axoïdiennes latérales ; les membranes atlanto-occipitales antérieure et postérieure entre le trou occipital et l'atlas. Le ligament cruciforme présente deux faisceaux, l'un transversal qui correspond au ligament transverse, l'autre longitudinal entre le trou occipital et le corps de l'axis.

Biomécanique de la colonne vertébrale Naissance, Phylogénèse L’intérêt des hommes pour expliquer le comportement du vivant a toujours été vif, sans doute par l’importance des défis posés. C’est pourquoi, le développement de la biomécanique déjà évoqué par Aristote (384-322 av. JC) dans son traité “ De motus animalium ” met en jeu, de nos jours, une subsidiarité des recherches entre physique, chimie, mécanique, biologie, médecine, chirurgie, … De grands noms jalonnent l’histoire de la biomécanique. Sans être exhaustif, on peut citer : Aristote (384-322 av. JC) sur le mouvement des animaux, Archimède (287-212 av. JC), Galien sur l’anatomie qui furent sans doute les premiers biomécaniciens. La renaissance est une des périodes les plus prospères pour la connaissance scientifique. On peut alors citer Léonard de Vinci (1452-1519) et ses travaux sur le mouvement du corps humain, Galilée (1564-1642) d’abord médecin avant d’être physicien. Le terme biomécanique semble avoir été utilisé pour la première fois en 1887 par M. Benedikt (Uber mathematische Morphologie und Biomechanick). P armi les recherches marquantes de cette période, on peut ainsi citer celle de Wolf sur l’adaptabilité d’un tissu osseux, de Fahraeus sur

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la microcirculation, de Bernstein sur l’étude du mouvement et plus récemment, celles de Copley, Scott-Blair, Burton, Born, Fung, Skalak, Mow... Enfin plus près de nous, la découverte de grands mécanismes physiologiques (Vane et Moncada pour les prostaglandines, Furchgott pour le No, travaux couronnés par 2 prix Nobel...) ont permis de mieux appréhender le rôle des contraintes locales sur la physiologie cellulaire et le remodelage tissulaire. Ce bref rappel historique qui couvre 25 siècles montre l’évolution des préoccupations initiales d’Aristote qui furent reprises aux cours des siècles pour aboutir aux concepts les plus modernes de la bio-ingénierie.

La marche bipède L’être humain peut maintenir la position debout sans fléchir les genoux contrairement au gorille. La lordose de la région lombaire chez l’homme n’est retrouvée dans aucune autre espèce. Par opposition à l’homme, la colonne vertébrale des primates est globalement cyphotique ce qui est incompatible avec la position érigée. Ceci explique pourquoi la position bipodale et la marche chez les primates sont très limitées et nécessite le plus souvent l’utilisation de leurs longs bras comme béquilles.

La verticalisation « La verticalisation des vertébrés et la longue marche de l’homo ont entraîné une antéversion pelvienne avec inclinaison vers l’avant de la pente sacrée. Le rachis va alors présenter deux lordoses lombaire et cervicale permettant à la tête de se centrer sur le bassin et la ligne de gravité. La résistance du rachis augmente du fait des courbures lordotiques, mais vont apparaître des pathologies spécifiques telles que l’hypercyphose et l’hyperlordose. De Victor Hugo à Walt Disney, le bossu de Notre Dame traverse les siècles et interpelle l’orthopédiste. La position assise moderne semble générer plus d’hypercyphoses que le bacille de Koch de la tuberculose il y a quelques années. Véritable problème de santé publique médiatisé à chaque rentrée scolaire par le poids du cartable et le mobilier scolaire, la cyphose va s’accentuer progressivement à l’âge adulte et surtout chez le vieillard ostéoporotique. La marche devient alors impossible sans canne et la 4 respiration de plus en plus difficile. » “Les déviations antéro-postérieures du rachis sont habituellement désignées sous le nom de cyphose et de lordose. Le terme cyphose dérive du grec : dos voûté et s’applique aux déviations vertébrales à convexité postérieure, habituellement thoraciques. Le terme lordose signifie courbé et s’applique aux courbures à convexité antérieure, habituellement lombaires. Il existe dans le plan sagittal une cyphose et deux lordoses physiologiques lombaire et cervicale. Ces courbures sont la conséquence de la verticalisation et de la bipédie.” « La première empreinte de pied bipède a été retrouvée il y a 4 millions d’années dans les cendres du volcan de Laetoli en Tanzanie.

4 La Cyphose de l’adolescent et de l’adulte en pratique de Médecine Manuelle. Jean-Claude de Mauroy - Clinique du Parc – Lyon (source)

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Il est établit une adaptation musculaire des membres inférieurs avec développement du quadriceps et des grands fessiers. La tubérosité tibiale antérieure se développe au fur et à mesure que le quadriceps stabilise le genou en extension. Le grand fessier joue le même rôle d’extension de la hanche, il est caractéristique de l’homo sapiens et bien représenté sur les statuettes paléolithiques. L’extension des membres inférieurs rehausse le centre de gravité de 30% environ par rapport au grand singe, de telle sorte qu’il se projette au niveau du bassin en avant de la deuxième vertèbre 9 sacrée. »

Le bassin est un compromis entre les nécessités de la marche bipède et de la reproduction. L’élargissement justifi é par l’augmentation de la taille du crâne est freiné par le risque d’hyperpression sur la tête lors de l’appui unipodal. C’est la balance de Pauwels. De vertical chez le grand singe il est antéversé chez l’homo sapiens. L’insertion de muscles sur la crête iliaque tels que ilio• costaux vont permettre la dissociation du bassin par rapport au tronc et le pas pelvien horizontal caractéristique de la tridimensionnalité de la marche. La tension des fascias superficiels qui permettent une verticalité sans contraction musculaire s’adapte. C’est sur ces fascias qu’agissent les techniques d’étirement de la chaîne postérieure type Mézières. •

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Le rachis se redresse avec création de 2 lordoses, la lordose lombaire et la lordose cervicale. Ces 2 lordoses permettent un positionnement de la tête sur la ligne de gravité et augmentent globalement la résistance du rachis selon la loi d’Euler. La résistance du fl exible est multipliée par un chiffre égal au nombre du carré de courbures plus 1 (R = N2 + 1), c’est à dire 10 fois plus de résistance que lorsque le dos est plat.

Le trou occipital se médialise. De postérieur chez le grand singe il devient médian chez les homos, ce qui permetun excellent équilibre de la tête sur le rachis cervical. La musculature cervicale postérieure s’affi ne avec notamment diminution du volume des épineuses.

Equilibre

Définition a « plum line » ou la « position économique » : « L'équilibre du tronc a été particulièrement étudié par les chirurgiens du rachis. L'importance du "profil du rachis" est apparue progressivement dans la littérature grâce à l'observation des perturbations de l'équilibre sagittal. La réalisation de longues arthrodèses pour scoliose, sans restitution correcte du plan sagittal , a permis d'observer l'apparition ou l'aggravation de cyphoses associées. Mais, pendant longtemps, l'analyse est restée très élémentaire, s'intéressant essentiellement à la lordose lombaire. Les travaux récents, beaucoup plus sophistiqués, analysent de nombreux paramètres : ils montrent que cet équilibre sagittal est avant tout la manifestation d'une stratégie posturale parfois très différente d'un sujet à l'autre. L'interrelation entre le rachis et le socle pelvien a été remarquée plus tardivement. Dès 1980, Dubousset a souligné cette notion en considérant le bassin comme une " vertèbre pelvienne ". Stagnara (1982) a montré l'étroite co rrélation existant entre la lordose lombaire et la pente sacrée. During fournit un paramètre angulaire évaluant l'orientation dans le plan sagittal du sacrum : l'angle pelvi-sacré (1985). L'étude barycentimétrique de Duval-Beaupère a donné une autre dimension à ces observations radiologiques : l'ensemble rachis-pelvis s'organise pour atteindre un équilibre dit "économique ". Chaque sujet est caractérisé par un paramètre " morphologique ", " l'incidence " qui représente de façon schématique " l'épaisseur du bassin ". L'adaptation d'autres facteurs, comme la version pelvienne (c'est-à-dire la bascule du bassin), et les paramètres rachidiens (angle de bascule du sacrum, lordose lombaire, cyphose thoracique en particulier) permet de positionner de façon spécifique par rapport au socle pelvien le centre de

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gravité du segment corporel supporté par les têtes femorales. Cette position permet de maintenir l'équilibre au prix d'un effort musculaire minimal. Les travaux de Legaye ont précisé ces données en insistant sur une chaîne d'interdépendance entre 5 les paramètres pelviens et rachidiens, notion reprise par des études plus récentes (Rillardon) »

Modèles d’analyse « Depuis quelques années, les paramètres sagittaux de la colonne sont devenus des éléments incontournables des bilans du rachis. C’est ainsi que des paramètres définis mais méconnus ont révélé leur importance. La connaissance de ces paramètres est essentielle ; mais encore faut- il savoir en tirer parti ! »

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Mesures cliniques Les premiers paramètres sont cliniques et sont obtenus par la mesure des flèches sagittales ; ils permettent de dégager les notions bien connues de lordose lombaire, cyphose thoracique, anté ou rétroposition du bassin. Mesures radiologiques Aux mesures classiques des angles de lordose lombaire, cyphose thoracique s’ajoutent des paramètres ayant rapport au bassin: Paramètre anatomique IP : incidence pelvienne : angle formé par la droite reliant le milieu de l’axe des coxo-fémorales au centre du plateau sacré avec la perpendiculaire à ce plateau en son centre ; ces éléments sont constants chez un individu donné et ne varient que très peu avec l’age Paramètres positionnels PS : pente sacrée : angle formé par l’inclinaison du sacrum avec l’horizontale V : version pelvienne : angle formé par la droite reliant le milieu de l’axe des coxo-fémorales au centre du plateau sacré avec la verticale Formule à retenir IP = V+PS Angle de bascule : Angle formé par la droite menée du centre du plateau sacré au centre du corps vertébral de la vertèbre correspondant au point d’inflexion (endroit du passage de lordose en cyphose) Il définit l’orientation globale de la lordose. Le point d’inflexion doit se situer en arrière de la verticale au centre du plateau sacré pour que l’on puisse considérer que la lordose soit suffisante.

Stabilité rachidienne La stabilité rachidienne est assure grâce à:  L’empilement des corps vertébraux et des apophyses articulaires  Les anneaux du disque intervertébral  Les ligaments intervertébraux  Les muscles érecteurs du rachis

5 Réflexions sur les rapports entre les hanches et le rachis. J.-Y. Lazennec, G. Saillant Hôpital Pitié-Salpêtrière – Paris – maitrise orthopédique (source) 6 Importance des Paramètres Sagittaux dans la Rééducation du Rachis - Jean Louis Vazeux – Résonances Européennes du Rachis - Volume 16 N° 50 : 2110-2116, 2009. (source)

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Equilibre hanche-genou-rachis « Le complexe rachis-bassin-membres inférieurs est un système poly articulaire complexe et les segments ar_culaires sont indissociables et il convient donc chaque fois que l’on intervient sur une ar_cula_on de maintenir un certain équilibre. Sur le plan anatomique et mécanique, ce problème doit être envisagé dans les 3 plans de l’espace : frontal, horizontal et sagittal. En fait ces trois plans 7 sont combinés. »

Dans le plan frontal Dans le plan frontal, sont appliquées les notions de « balance de Pauwels » et des axes mécaniques et anatomiques du membre inférieur. Il peut être aussi considéré les écarts var isant

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Equilibre de la hanche – rachis – genou J-P. CARRET (conférence d’enseignement) (source)

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Balance de Pauwels :

Il est considéré que le bras de levier gravitaire est trois plus grand que le moyen fessier ; ainsi l’appui monopodal induit une réaction R=4*P. La marche correspond à une succession de pas en appui monopodal (sur un pied).A chaque pas la hanche reçoit 4 fois le poids du corps.

Ce calcul est établi sur calques radiologiques et ne prend pas en compte tout les paramètres mais a valeur d’exemple en montrant l’effort subi par un interligne ne correspondant pas au seul poids du corps mais à l’addition algébrique de ce

Figure 1

poids avec la force déployée par les muscles pour l’équilibrer. 

« En appui monopodal, le poids du corps en charge est celui du cor ps moins le poids du membre inférieur portant (dessous de la hanche concernée). Sa ligne gravitaire, verticale par définition, est, de ce fait, déplacée vers le membre non portant d’environ 5cm.



L’action équilibratrice est centrée sur le moyen fessier et plus spécialement sur sa fibre moyenne ; le vecteur est toujours dirigé obliquement en bas et en dehors.



La résultante est construite à partir des deux vecteurs précédents. Elle est oblique en bas et en dehors, à environ 16° (fig. 2) et en passant par la tête fémorale. »

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L’axe mécanique du membre inférieur : Il correspond à un axe qui passe par les trois centres articulaire de la hanche, du genou et de la cheville. Il correspond donc à une droite qui relit le centre de la tête fémorale, le centre du plateau tibial (interligne articulaire fémoro-tibiale) et le centre de la poulie du talus. Cette ligne est confondue avec l’axe du squelette de la jambe, mais forme un angle de 6° avec celui du fémur. 3 centres articulaires de la hanche (H), du genou (K) et de la cheville (A) sont alignés sur une même droite (HKA) qui est l’axe mécanique. (voir fig 4)

Biomécanique fonctionnelle: rappels anatomiques, stabilités, mobilités ... Par Michel

Dufour,Michel Pillu (source) Page 26 sur 45


L’axe anatomique du membre inférieur :

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Ce sont des axes des diaphyses osseuses du membre inférieur. L’axe de la diaphyse fémorale est oblique en bas et en dedans. L’axe de la diaphyse tibiale est à peu près vertical. Ainsi, en raison du porte-à-faux du col fémoral, l’axe de la diaphyse fémorale n’est pas situé exactement dans le prolongement de l’axe de la diaphyse tibiale. Ces deux os vont donc former un angle obtus, ouvert en dehors, d’environ 170°-175° (SKA): c’est le valgus physiologique.

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Les écarts varisants : « Du fait de l'écartement plus grand des hanches par rapport aux chevilles, l'axe mécanique du membre inférieur est légèrement oblique en bas et en dedans, formant un angle de 3° avec la verticale. Cet angle est d'autant plus ouvert que le bassin est plus large, comme c'est le cas chez la femme. Cela explique aussi pourquoi le valgus physiologique du genou est plus 1 marqué chez la femme que chez l'homme. La mesure de ces angles est toutefois insuffisante pour apprécier les contraintes s'exerçant sur les différentes surfaces articulaires du genou 2 nécessitant l'introduction de la notion d'écart varisant. Dérivé du schéma proposé par Maquet, l'étude des écarts varisants cherche à quantifier le bras de levier des contraintes gravitaires. Elle consiste à mesurer, à la hauteur du genou, la distance qui sépare la ligne gravitaire du centre du genou. Sur un membre inférieur normo-axé, cet écart est faiblement dépendant de la morphologie du bassin (angle a) et qualifié de ce fait d' extrinsèque (fig. 5).

Anomalies morphologiques des membres inférieurs dans la gonarthrose ; A. Gray, M Meyer, F.

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Lorsque le genou est dévié en varus, l'incurvation du membre éloigne le centre du genou en dehors de l'axe mécanique en majorant l'écart varisant d'une valeur proportionnelle à l'angulation. Ce supplément d'écart lié à la morphologie du membre est qualifié d' intrinsèque. Il s'ajoute à l'écart extrinsèque pour former l'écart varisant global constituant un bras de levier majoré pour les forces gravitaires (fig. 5). Lorsque le genou est dévié en valgus, l'incurvation du membre rapproche le centre du genou de la ligne gravitaire en faisant passer le centre du genou en dedans de l'axe mécanique global. La morphologie du membre crée cette fois un écart intrinsèque valgisant qui vient théoriquement en déduction de l'écart varisant extrinsèque pour diminuer le bras de levier des forces gravitaires. L'écart varisant extrinsèque peut se trouver seulement réduit si la déformation est peu importante (fig. 6). Si la déformation est marquée, le centre du genou se déplace au-dedans de la ligne grav itaire et les forces normalement varisantes deviennent valgisantes à la faveur de l'apparition de cet écart valgisant extrinsèque (fig. 6B).

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Dans le plan horizontal 10 : o

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C'est dans le plan horizontal que se matérialise les anomalies de torsion du squelette du membre inférieur. La torsion squelettique se définit comme une déformation de l' os autour de son axe longitudinal. Elle est à opposer à la rotation qui représente le mouvement possible de cet os autour de cet axe. Bien qu'étudiée depuis la fin du XIXe siècle, la problématique des torsions essentielle en terme d'arthrose et critère d'alignement rotatoire des implants prothétiques est un sujet encore mal connu, ceci malgré les récentes acquisitions de l'ostéo-densitométrie. Deux index de mesure ont été proposés pour l'essai d'une classification des différents morphotype rencontrés dans ces anomalies de torsion : L'index de torsion tibio-fémoral de Lerat3 mesurant la • différence entre la torsion tibiale externe et l'antéversion fémorale (20° en moyenne). L'index de cumul des torsions de Duparc et Thomine4 • qui est la somme algébrique des torsions fémorales et tibiales (11,7° en moyenne). Cliniquement, les méthodes de mesure sont très imprécises. Au niveau du fémur, l'antéversion fémorale s'apprécie en comparant la prévalence de la rotation interne sur la rotation externe de la hanche, le patient étant en décubitus ventral, sa hanche en extension et le genou fléchi à 90°. La torsion tibiale s'apprécie en déterminant l'angle formé par l'axe bimalléolaire par rapport au plan sagittal de symétrie du corps. Il est également utile d'apprécier la mesure de l'angle du pas. En fait, seules les mesures tomo-densitométriques sont actuellement les plus fiables et les plus utilisées, le scanner pouvant être réalisé selon l'angle du pas.

Les torsions se modifient avec l'âge et évoluent jusque vers la fin de la croissance. Au niveau fémoral, il se produit chez l'humain une torsion puis une détorsion fémorale, l'antétorsion de l'extrémité supérieure du fémur diminuant progressivement jusqu'à l'âge adulte. A la naissance, elle est de 35 à 41° pour diminuer vers une antétorsion moyenne définitive de 12 à 15° à 14 ans (fig. 9). L'évolution de la torsion tibiale passe d'une torsion tibiale interne à la naissance vers une torsion tibiale externe de 19,5° en moyenne avec une importante marge de variation de 20° (fig. 10).

Anomalies morphologiques des membres inférieurs dans la gonarthrose ; A. Gray, M Meyer, F.

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Dans le plan sagittal 11 : Le problème est un petit peu plus complexe. Beaucoup de travaux ont été réalisés sur ce sujet et l’on citera ceux de DUVAL-BEAUPERE, LAZENNEC, ROUSSOULY et VAZ. On peut retenir trois paramètres anatomiques qui sont liés les uns aux autres : L’incidence pelvienne qui correspond à l’angle formé par une droite perpendiculaire au o plateau sacré et la droite qui part du centre du plateau sacré au centre de la hanche. La pente sacrée correspond à l’inclinaison du plateau sacré par rapport à l’horizontale. o La version pelvienne correspond à l’angle formé par la verticale et une droite qui relie le o centre de la hanche et le centre du plateau sacré.

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Il existe une loi de comportement rachis – bassin : Quand la lordose lombaire diminue, la rétroversion du bassin augmente, l’extension  des hanches augmente et les genoux fléchissent (voir ci-dessous).

11 Equilibre de la hanche – rachis – genou J-P. CARRET (conférence d’enseignement) (source)

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Morphotypes et risques dégénératifs Déséquilibres et compensation

Cas d’équilibre dans les troubles 12 •

Physiologiquement, de face, en position debout, il existe une situation d'équilibre, le centre de gravité de la partie du corps supportée par les têtes fémorales s'inscrit à l'intérieur de la base de sustentation. Cet équilibre est dit économique si la ligne de gravité du tronc se projette au centre de cette base de sustentation. La patiente de la fig 1 ci après est en équilibre, elle supporte la position debout, mais sa position d'équilibre n'est ni stable ni économique; le maintien de cette position nécessite des efforts musculaires accrus, asymétriques, pouvant être à l'origine d'une symptomatologie douloureuse. L'analyse d'un grand format de face est donc, en terme d'équilibre, relativement simple. Il est admis que le centre de gravité du tronc se projette en T9 ; la ligne de gravité tracée à partir de cette vertèbre doit donc, en cas d'équilibre stable et économique du rachis, passer par le milieu de la droite unissant le centre des deux têtes fémorales. En dehors de cette

Figure 1. Exemple d'un déséquilibre latéral.

12 Journal de Radiologie, Vol 83, N° 9-C2 - septembre 2002, pp. 1143-1147, Les troubles de la statique rachidienne de l'adulte, Société Française de Radiologie (SFR), PGuiguiGMorvan ( source) Page 34 sur 45


situation, il existe un déséquilibre rachidien de face. En fait, cette analyse n'est pas si simple qu'elle paraît car elle dépend de deux facteurs, la position de l'ensemble du rachis bien sûr, mais également la position du bassin. En effet, un bassin déséquilibré, oblique, peut induire un déséquilibre du rachis. Il convient donc, avant de parler de déséquilibre rachidien de face, de s'assurer de la bonne position du bassin. D'une façon générale et nous le reverrons dans l'étude du cliché de profil, les relations rachisbassin et, plus généralement, rachis-bassinmembres inférieurs, sont étroites et indissociables. L'analyse de la position de l'un de ces éléments doit toujours tenir compte de la position des deux autres. •

L'analyse de l'équilibre de profil est plus complexe, notamment en raison de la présence de plusieurs courbures rachidiennes. De même, de face, il existe de profil une situation d'équilibre stable et économique. De façon simple et en première analyse, il est possible de dire que cette situation est présente si la ligne verticale débutant en haut au niveau des conduits auditifs internes, passe en bas en avant du coin antérieur du plateau sacré et en arrière du centre des deux têtes fémorales. Plus précisément, sachant que le centre de gravité du tronc se situe en moyenne 5 cm en avant de T9, la ligne de gravité doit en moyenne passer 3 cm en arrière du centre des deux têtes fémorales.

Figure 2. Inter-relation rachis-bassin.Toute modification de l'orientation du bassin dans le plan anréropostérieur peut entraîner une variation de la lordose lombaire et inversement.

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Tout le problème de profil va être d'analyser la position de cette ligne de gravité en fonction de la nature et de l'importance des différentes courbures rachidiennes et de la position du bassin. Intrinsèquement, par exemple, une augmentation de la cyphose thoracique ou à l'inverse une diminution importante de la lordose lombaire peut induire un déséquilibre antérieur du tronc. Peut-on pour autant parler de cyphose thoracique normale ou de lordose lombaire normale au-delà ou en deçà desquelles un déséquilibre du tronc apparaîtrait ? Non, car une hypercyphose thoracique peut être compensée par une hyperlordose lombaire et inversement. De même, intrinsèquement, toute modification d'orientation du bassin dans le plan antéropostérieur (anté ou rétroversion pelvienne) peut induire un déséquilibre du tronc. Mais là encore, une antéversion excessive du bassin peut être compensée par une variation de la lordose lombaire dans le but de maintenir un équilibre le plus économique possible du troncFigure 2 . Enfin, l'état des hanches doit également être pris en compte. En effet, un flessum de hanche peut modifier la position du bassin qui peut, dans un premier temps, être compensée par une variation de la lordose lombaire afin d'éviter l'apparition d'un déséquilibre antérieur du tronc. Ainsi, et plus ici encore que dans l'analyse de la radiographie de face, une situation d'équilibre ou de déséquilibre doit être analysée, non pas en fonction d'un paramètre, mais en fonction des relations existant entre les différents paramètres pouvant modifier cet équilibre: valeur angulaire des différentes courbures rachidiennes, position spatiale du bassin, état des membres inférieurs et notamment des hanches. L'interrelation entre ces différents paramètres de l'équilibre sagittal du rachis est bien illustrée Figure 3. Le problème initial, illustré dans cet exemple, est celui d'une fracture tassement ostéoporotique banale de L1. Cette fracture est à l'origine d'une cyphose thoraco-lombaire en apparence modérée. L'erreur serait ici de ne faire qu'une analyse partielle du problème et de ne

Figure 3. Exemple d'un déséquilibre antérieur secondaire à une fracture du rachis thoracolombaire.

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traiter cette fracture que par une simple ostéosynthèse postérieure en place de la lésion. Il existe une situation de déséquilibre, la ligne de gravité passe nettement en avant des têtes fémorales. Ce déséquilibre est cependant en partie compensé ce qui masque son importance. La lordose lombaire est en effet très diminuée et le bassin est nettement rétroversé, ce qui tend à ramener le tronc en arrière, diminuant ainsi l'impression de déséquilibre antérieur. Immobiliser en place cette fracture par une arthrodèse antérieure ou postérieure, sans restaurer un équilibre correct du rachis, expose à plus ou moins long terme, aux risques de non consolidation de la greffe, de rupture du matériel d'ostéosynthèse, de dégradation des étages sus-jacents à la zone de fusion et, finalement, de mauvais résultat clinique. Dans ce cas, il faut prendre en compte le déséquilibre antérieur et proposer, non seulement une ostéosynthèse de la fracture, mais également une correction de celui-ci, par exemple, par une ostéotomie de fermeture postérieure afin de ramener l'ensemble du tronc vers l'arrière. Lors de l'analyse d'une situation de déséquilibre antéropostérieur, il faut tout d'abord estimer les différentes courbures rachidiennes, cyphose thoracique et lordose lombaire, en général entre les vertèbres les plus inclinées sur l'horizontale. Il faut ensuite évaluer la position spatiale du bassin par l'intermédiaire de 3 paramètres Figure 4. la pente sacrée, angle entre o l'horizontale et la tangente au plateau sacré ; l'incidence pelvienne, angle entre la o perpendiculaire au milieu du plateau sacré et la droite unissant le milieu des têtes fémorales au milieu du plateau sacré ; la version pelvienne, angle entre la o droite unissant le milieu du plateau sacré, les têtes fémorales et la verticale.

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Figure 4. Les paramètres pelviens de l'équilibre sagittal du rachis.


Altérations de l’équilibre Variations Elles sont nombreuses. On peut citer notamment :

corps vertébraux : Dépression postérieure des plateaux correspondant à des résidus notochordaux, noyau d'ossification secondaire non fusionné en regard des angles antérieurs des corps vertébraux.

arcs postérieurs : Amincissement pédiculaire (charnière dorso-lombaire), hypoplasie, agénésie pédiculaire (aux étages lombaire et cervical) ; anomalie des massifs articulaires, notamment variantes morphologiques, absence de fusion de noyau d'ossification secondaire, agénésie de l'apophyse articulaire, dédoublement du foramen transversaire des vertèbres cervicales.

Anomalies transitionnelles notamment sacralisation et hémi-sacralisation de L5 : Anomalies les plus fréquentes du rachis lombaire (l'hémi-sacralisation est caractérisée par une néoarticulation entre un processus transverse hypertrophique de L5 et l'aileron sacré). La lombalisation de S1 est moins fréquente (disques S1 S2 hypoplasiques, vertèbre S1 encastrée).

Croissance, renouvellement osseux ou vieillissement Traumatismes Actes chirurgicaux Retour d’expérience clinique L’analyse de la posture L’analyse de la posture : elle se fait de la tête au pied en ayant préalablement détecté le positionnement de la vertèbre pelvienne qui impacte sur l’orientation de la colonne vertébrale du fait sa mobilité d’anté- et de rétroversion. (ligne de gravité) Une bonne posture (équilibre économique) permet de supporter les charges mécaniques en station érigée. -

Le sujet n’est pas strictement immobile et effectue un rééquilibrage permanent

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Chaque composante vertébrale est soumise à des efforts de gravité ; des essais statiques et dynamiques in vitro ont démontré une résistance à la compression de :

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De 1000 à 4000N pour les cervicales pour des charges physiologiques de 100 à 400N avec un moment de flexion de 2Nm. De 5000 à 13000N pour les lombaires pour des charges physiologiques de 3000 à 5000N avec un moment de flexion de 20Nm. Le rachis lombaire peut supporter des efforts jusqu’à 500 kg sous réserve de limiter leur déviation. Pour une déviation de 10cm, l’effort admissible n’est plus que de 20 Kg. Cela indique qu’il doit être considéré une ligne de gravité ; la déviation de l’effort est compensée par un effort de régulation musculaire qui induit une charge de compression accrue, puis une fatigue musculaire et une dégradation du système rachidien si cette déviation est permanente. (contexte d’une hyper-compression et hyper-flexion) L’analyse de la posture globale est donc essentiel au rétablissement de l’équilibre dit « économique », c'est-à-dire sans trouble postural qui conduirait à une complication biomécanique du rachis.

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Cinétique

Le sens du mouvement du rachis est déterminé par l’orientation des facettes articulaires.

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Au niveau du segment lombaire, le plan des facettes est vertical permettant ainsi la flexion et l’extension ; la latéro-flexion et la rotation sont quant à elles impossibles. L’orientation des facettes dorsales autorise la rotation et la latéro-flexion mais limite la flexion et l’extension. Les mouvements autorisés sont indiqués par le signe + ; les mouvements interdits sont indiquées par le signe –.

L'élongation et la compression axiale conduisent à l'étirement et au tassement du disque.

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Flexion et extension

La flexion latérale Page 41 sur 45


La rotation axiale

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L’analyse du mouvement L’analyse du mouvement: elle permet d’établir pour chaque mouvement vertébral les amplitudes sous charges : - de flexion et d’extension - d’inflexion latérale droite et gauche - de torsion axiale droite et gauche Des études extensives ont permis de caractériser l’amplitude sous charge de flexion-extension qui a notamment démontré une mobilité de 60° du rachis lombaire et de 120° du rachis cervical. Pour le rachis lombaire, l’immobilisation des unités vertébrales L4-L5 et L5-S1 génère une perte de la moitié de l’amplitude. Pour des patients scoliolitiques traités et ayant perdu en mobilité du tronc, l’amplitude coxofémorale (hanche-fémur) peut être essentielle ; la mobilité du bassin est ainsi plus sollicité.

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Biomécanique osseuse Loi de Wolff Elle correspond à la traction exercée par les muscles à la périphérie de l’os ; cette traction excite les cellules sous-périostiques favorisant le développement de l’os en épaisseur par effet de la traction ; En effet la croissance endochondrale est modulée par des facteurs mécaniques ; Il est noté que l’hyper pression freine la croissance alors qu’une diminution des contraintes la stimule. C’est la loi Hueter-Volkmann.

Stress sheilding C’est est un phénomène de perte osseuse autour un d’un dispositif prothétique ayant pris le relais quant à la résistance aux contraintes mécaniques préalablement assuré par la partie osseuse.

Par exemple la figure de gauche ci-dessus montre la radio d’un modèle animal (chien) avec une répartition « normale » de la densité osseuse immédiatement après implantation d’une prothèse orthopédique. La figure de droite montre le même fémur quelques mois plus tard o u l’on observe une perte osseuse significative dans la partie pro ximale. Cette perte osseuse proximale est due au phénomène de stress shielding » ou la contrainte mécanique osseuse est diminuées suite a l’introduction d’un implant m étallique massif, qui supporte en grande partie l’effort devant être supporté par le fémur.

Dynamisation de la greffe La consolidation osseuse est influencée par le taux de vascularisation locale, les facteurs de croissances et hormonales ainsi que par les stimuli mécaniques. Nombreux dispositifs médicaux intègrent des systèmes dits « dynamiques » afin d’accélérer la repousse osseuse notamment dans le cas d’une vascularisation pauvre.

Caractéristiques mécaniques des os 13. L’os cortical L’os cortical est formé d’ostéons orientés longitudinalement ; de ce fait, ses propriétés mécaniques o

diffèrent en fonction de la direction considérée. C’est donc un matériau anisotrope, mais il peut être considéré comme étant transversalement isotrope. En effet dans le plan perpendiculaire à la direction longitudinale, les propriétés sont dépendantes de la direction.

13 Reilly, D.T. and Burstein, A H The elactic and ultimate properties of compact bone tissue. Journal of biomechanics, 1975 p.393-405 (source) Page 44 sur 45

Biomécanique de la colonne vertébrale

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