7.1- Fémur

Il est incontestablement l’os qui a été le mieux étudié. On sait depuis Pauwells que la charge qui s’exerce sur la tête fémorale est considérable. En position debout, le poids du corps excentré exerce sur la tête fémorale une charge de prés de 300 kg, susceptible d’augmenter en fonction des efforts et des mouvements (Figure I-17).

Fig. I-17 : Le fémur peut être comparé à une potence, dont la charge excentrée

engendre des contraintes de traction (Z) et des contraintes de compression (D)

Si une charge identique était appliquée dans le grand axe d’une poutre verticale de même dimension, elle produirait des contraintes de compression axiale de moindre intensité [59].

On montant des escaliers, cette charge peut atteindre 5 fois le poids du corps et en marchant rapidement jusqu’à 7.6 fois car dans ce cas les forces d’accélération s’ajoutent à la charge statique.

Bergmann et al [60] reprenant l’expérience de Rydell [61] ont publié en 1990 leurs résultats après mise en place in vivo de prothèses de hanche équipées de jauges de contrainte chez deux patients. Les contraintes mesurées étaient pour un sujet de 370 % du corps en montant les escaliers, de 416 % en les descendants et de 369 % en marchant à plat. Pour l’autre sujet, atteint d’une maladie neurologique entraînant des troubles de la marche, ces contraintes étaient respectivement de 552 %, 523 % et 413 %. Les contraintes sur le fémur en dessous du petit trochanter sont donc très élevées.

Blaimont et al. [62, 63] après Comtet [64] ont attiré l’attention sur un aspect «mystérieux et paradoxal» de la résistance osseuse : le calcul a aboutit à des valeurs qui

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sont en contradiction avec les résultats de la mesure expérimentale de la résistance osseuse.

Blaimont a ainsi testé un fémur qui a résisté à une charge céphalique de 900 kg, ce qui

correspond à une contrainte en tension de la corticale externe sous le grand trochanter de 22.5 Kgf /mm2.

Une éprouvette prélevée au même niveau et testée en tension se fracturait pour une charge de 8.5 kgf /mm2. Le fémur aurait dû se fracturer à ce niveau pour une charge céphalique de 340 kgf /mm2.

Comtet a observé la même anomalie : une diaphyse radiale soumise expérimentalement

à un effort de traction présente une fracture lorsque la charge atteint une valeur qui suppose une contrainte moyenne de 23.5 kgf /mm2. Or au niveau où se produit la rupture, la résistance sur éprouvettes isolées n’excède pas 11 kgf/mm2.

L’os est donc beaucoup plus résistant que le calcul mathématique et les essais en traction sur éprouvettes isolées ne le laissent supposer. « Ce paradoxe peut s’expliquer soit parce que les bases du calcul mathématiques des contraintes sont erronées dans leur applications à l’os, soit parce que les épreuves de résistance à la traction sont entachées d’erreur ». Blaimont a montré que les deux explications s’associaient pour expliquer le paradoxe :

 La dureté de l’os diminue presque linéairement de l’endoste au périoste. Le module d’élasticité est nettement plus élevé au voisinage de l’endoste que dans la zone périoste. La différence est importante ; Comtet trouvait sur le radius un module de 2600 kgf /mm²à proximité de l’endoste, et de 1413 Kgf/mm²sous le périoste. Si la totalité de la section osseuse présentait une égale dureté, les contraintes évolueraient suivant le modèle utilisé pour le calcul mathématique des contraintes. Dans la flexion fémorale, le périoste est plus déformé que l’endoste. Les zones déformées sont donc les plus déformables. Il s’ensuit une tendance à l’égalisation des contraintes (Figure I-17) ;

 Comtet a montré que les épreuves de traction sur éprouvettes étaient entachées d’erreurs systématiques par défaut. Elles donnent de la résistance osseuse une idée trop pessimiste.

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Les causes d’erreur peuvent neutraliser ou cumuler leurs effets et conduire à des erreurs sur la contrainte de rupture estimées à 60 %. La répartition des contraintes sur le fémur est bien connue depuis les travaux de Blaimont [63]en 1968 ; lorsque cet os est mis en charge, la partie externe de l’os subit des contraintes de tension (T) alors que sa partie interne subit des contraintes de compression (C). « Les deux zones T et C s’enroulent l’une autour de l’autre, en spirale, du haut en bas de la diaphyse » (Figure I-18).

Fig. I-18 : Contraintes supportées par le fémur (d’après Blaimont).

Sous l’effet de la charge P qui s’exerce sur la tête fémorale, le fémur est soumis à des contraintes de traction T et à des contraintes de compression C. « Les deux zones T et C s’enroulent l’une autour de l’autre, en spirale, du haut en bas de la diaphyse ». Le fémur se fléchit sur toute sa hauteur.

Le fémur se fléchit donc sur toute sa hauteur. « Les plus grandes déformations s’observent dans le haut du fémur puis vont en diminuant jusqu’à 20 cm. A partir de ce niveau, les déformations de compression présentent une nouvelle élévation tandis que les déformations de traction continuent de baisser » (Figure I-19).

Les contraintes supportées par le fémur sont importantes, même lorsque le sujet en décubitus soulève simplement le membre du plan du lit; Diehl [65] les a évaluées compte tenu du poids du membre et du bras de levier qui correspond à la distance du centre de gravité au foyer.

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Fig. I-19 : Variations diaphysaires des maximales de déformation. Les grandes

déformations s’observent dans le haut du fémur. A chaque niveau, la valeur maximale de la compression (C) excède celle de la traction (T) (d’après Blaimont).