Etude complémentaire aux essais in vitro

Comme démontré précédemment, le modèle utilisé est non seulement validé pour le rachis intact mais aussi pour le rachis lésé et le rachis instrumenté (‘Fusion’ et ‘Dynamique’). Ceci nous donne donc la possibilité d’étudier de nouveaux paramètres.

Une pré-étude comparant les résultats de simulation obtenus sur un modèle de segment L1-S1 et sur un modèle de segment L3-S1, non détaillée dans ce rapport, nous a permis d’observer que les conclusions étaient équivalentes pour les deux modèles. Le temps de calcul étant plus court pour le segment L3-S1, et dans la mesure où nous faisons essentiellement des études comparatives, nous travaillerons désormais sur segment L3-S1 dans la suite de ces travaux.

5.3.1. Matériel et méthode

On impose au segment L3-S1, encastré en S1, une rotation de 23° en flexion, 14° en extension, 12° en inflexion latérale et 5° en rotation axiale pour reproduire les mobilités moyennes obtenues in vitro pour le segment L3- S1 dans la configuration ‘Intact’.

Les simulations sont lancées pour les configurations : - ‘Intact’

- ‘Lésion’ (détaillée ci-dessus)

- ‘Dynamique’, qui correspond au rachis lésé et instrumenté en L4-L5 à l’aide du méso-modèle de l’implant Flex+2

- ‘Fusion’, qui correspond au rachis lésé et instrumenté en L4-L5 à l’aide du modèle d’implant rigide détaillé ci-dessus)

Les données de sorties sont les suivantes :

- Le couple appliqué pour atteindre la mobilité imposée

- Les mobilités des segments L3-L4, L4-L5 et L5-S1 que l’on exprime en pourcentage de la somme des trois mobilités afin d’avoir une image de la répartition entre les segments.

- La cartographie des contraintes de Von Mises dans la matrice de l’annulus des trois disques, ainsi que la valeur de la contrainte de Von Mises maximale calculée.

- La cartographie des efforts axiaux dans les fibres de l’annulus des trois disques ainsi que la valeur maximale de l’effort normal dans les fibres calculée.

Pour les configurations instrumentées, on observe également :

- L’effort normal, l’effort de cisaillement et le moment de flexion dans la partie flexible des tiges 5.3.2. Résultats

5.3.2.1. Impact du geste de recalibrage

Pour atteindre les mobilités imposées, on observe un couple plus important pour la configuration ‘Intact’ que pour la configuration ‘Lésion’ (Tableau 33) mais uniquement en Flexion (+11%) et en Extension (+23%). La variation de répartition de mobilité entre les différents segments change essentiellement pour l’extension car la mobilité du segment L4-L5 (lésé) passe de 4,6° à 5,2°.

En ce qui concerne le chargement des disques, la modification la plus importante entraînée par la lésion de L4- L5 est une augmentation de la contrainte de Von Mises maximale en extension de 0,4 MPa (47% de sa valeur initiale).

L’influence sur les segments adjacents est également plus prononcée en extension, en particulier pour le niveau sus-jacent L3-L4 (diminution de 37% de la contrainte de Von mises maximale et de 41% de l’effort maximal aux fibres de l’annulus).

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5.3.2.2. Impact de l’instrumentation

La mise en place des instrumentations ‘Dynamique’ et ‘Fusion’ a nécessité l’augmentation du couple appliqué pour atteindre la mobilité fixée (Tableau 33). Les implants ont largement diminué la contribution du segment L4-L5 (instrumenté) à la mobilité totale (Figure 101). Les mobilités du segment instrumenté (L4-L5) avec l’instrumentation dynamique sont supérieures ou égales à celles calculées avec l’instrumentation rigide (+0,2° en flexion, égale en extension, +0,5° en Inflexion latérale et égale en torsion).

Figure 101 : Contribution des différents segments à la mobilité globale pour les rachis instrumentés (100 % = Somme des mobilités L3-L4, L4-L5 et L5-S1)

La variation des contraintes dans l’annulus entre la configuration ‘Lésion’ et les configurations instrumentées est semblable pour les configurations ‘Dynamique’ et ‘Fusion’ (Figure 102). En effet, on observe, pour les niveaux adjacents, une augmentation de la contrainte de Von Mises maximale et de l’effort normal dans les fibres pour toutes les sollicitations. La différence entre les deux instrumentations est, pour les segments adjacents, comprise entre 1 et 9%. Elle est maximale pour l’effort normal dans les fibres en inflexion latérale (10,9N avec l’instrumentation dynamique contre 11,9 N avec l’instrumentation rigide)

Au niveau instrumenté en revanche, l’instrumentation entraine une augmentation des contraintes sur l’annulus en flexion mais une diminution de cette contrainte pour l’extension, l’inflexion latérale et la rotation axiale. Cette diminution est d’autant plus forte pour la configuration ‘Fusion’ que pour la configuration ‘Dynamique’ (Figure 102).

Figure 102 : Modifications des contraintes dans l'annulus suite à l’instrumentation du segment L4-L5 par rapport à la configuration ‘Lésion’. (Contraintes de Von Mises dans la matrice en haut et Effort axial dans les fibres en bas)

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Flexion Extension Inflexion Torsion

‘Intact’ 15,5 Nm 9 Nm 4 Nm 1,2 Nm

‘Lésion’ 13,9 Nm 6,9 Nm 4 Nm 1,1 Nm

‘Dynamique’ (% Lésion) 30,8 Nm (122%) 17,9 Nm (158%) 9,9 Nm (148%) 2,6 Nm (131%)

‘Fusion’ (% Lésion) 33 Nm (137%) 18,7 Nm (170%) 10,8 Nm (171%) 2,8 Nm (145%)

Tableau 33 : Couples nécessaires pour obtenir la mobilité imposée (% du couple nécessaire pour la configuration ‘Lésion‘)

5.3.2.3. Efforts dans l’instrumentation

Il y a, dans l’instrumentation, des efforts de compression en flexion et de traction en extension, supérieurs pour la configuration ‘Dynamique’ que pour la configuration ‘Fusion’ (les efforts axiaux maximums sont supérieurs de 42% en flexion 26 % en extension).

De même, les efforts de cisaillement sont supérieurs pour l’implant dynamique que pour l’implant de fusion de 27% en flexion et de 20% en extension et de 26% en torsion alors qu’ils sont équivalents en inflexion latérale. Les moments de flexion calculés dans les tiges des implants dynamiques sont bien inférieurs aux moments de flexion calculés pour les implants rigides (au maximum 0,4 Nm contre 5,6 Nm en flexion).

5.3.3. Discussion

Nous avons choisi de travailler en mobilité imposée, selon la méthode hybride décrite par Panjabi et al., de manière à reproduire les mobilités, et par conséquent les couples, réellement appliqués au rachis in vivo (Panjabi et al. 2007).

Cette étude complémentaire confirme l’influence plus importante de la lésion en flexion-extension que dans les autres sollicitations et démontre son impact en termes de chargement du disque lésé, qui, lui, n’est majeur que pour l’extension.

Les différences entre l’implant dynamique et l’implant rigide en termes de mobilité sont plus importante pour l’inflexion latérale. C’est également ce que nous avions observé lors de notre étude in vitro, même si la différence in vitro était environ deux fois plus importante.

Le modèle instrumenté est plus rigide que lors de nos observations in vitro : les liaisons entre les vis et les tiges et entre les vis et l’os pourraient peut-être être modélisées de manière plus fine.

Avec la mise en place de l’instrumentation, qu’elle soit flexible ou rigide, on observe dans les segments adjacents une augmentation des contraintes dans l’annulus ainsi que de l’effort normal dans ses fibres. Les différences entre les deux instrumentations atteignent au maximum 9%. Cette différence est observée en inflexion latérale, qui correspond à la sollicitation pour laquelle les contraintes de Von Mises étaient maximales dans le disque adjacent L3-L4. La question se pose alors de l’impact clinique d’une telle différence. En effet, les sollicitations étant répétées dans le temps, même des écarts de l’ordre de 10% sur les contraintes maximales dans un disque pourraient avoir des répercussions cliniques.

A l’étude des efforts s’appliquant dans l’implant, on constate que la partie flexible de l’implant est soumise en flexion à un effort de cisaillement de 135N ceci concorde avec les données publiées dans la littérature (Rohlmann et al. 2007). De plus, comme discuté dans l’article de Hoff et al. 2011, cette sollicitation en cisaillement est majeure dans la tenue mécanique des implants flexibles. Nous y prêterons donc une attention particulière dans les études comparatives. Lors de la validation mécanique des implants, SpineVision réalise des essais dynamiques à 5 ou 10 millions de cycles en Flexion, Cisaillement, et Compression sur le type de montage présenté dans la Figure 103. Il nous faut rester prudents quant à l’utilisation des valeurs calculées car elle n’a pas été validée. Les analyses comparatives sont donc à privilégier. Les précédentes versions de l’implant présentaient une résistance bien moins importante en cisaillement. L’effort de cisaillement étant non négligeable il est tout à fait envisageable qu’il soit impliqué dans les cas de rupture observés.

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Figure 103 : type de montage utilisé pour la validation mécanique du Flex+2