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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository
Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
Burny, F. L. (s.d.). Biomécanique de la consolidation des fractures.: Mesure de la rigidité du cal in vivo. Etude théorique, expérimentale et clinique.
Application à la théorie de l'ostéosynthèse (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté de Médecine – Médecine, Bruxelles.
Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/216452/1/e79a6518-d7f1-48e8-a517-a3f11ad6a549.txt
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BIOMECANIQUE DE LA
CONSOLIDATION DES FRACTURES
MESURE DE LA RIGIDITE DU CAL IN VIVO ETUDE THEORIQUE,EXPERIMENTALE ET CLINIQUE
APPLICATION A LA THEORIE DE L'OSTEOSYNTHESE
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BIOMECANIQUE DE LA
CONSOLIDATION DES FRACTURES
MESURE DE LA RIGIDITE DU CAL IN VIVO ETUDE THEORIQUE,EXPERIMENTALE ET CLINIQUE
APPLICATION A LA THEORIE DE L’OSTEOSYNTHESE
F. BURNY
BIOMECANIOÜE DE LA CONSOLIDATION DES FRACTURES
MESURE DE LA RIGIDITE DU CAL IN VIVO : ETUDE THEORIQUE, EXPERIMENTALE ET CLINIQUE. APPLICATION A LA THEORIE DE
L'OSTEOSYNTHESE.
F. BURNY
PLAN
INTRODUCTION.
PREMIERE PARTIE.
I. COMPOSITION ET STRUCTURE DE L'OS CORTICAL NORMAL.
1. Composition de l'os cortical normal.
A. Substrat organique.
B. Phase minérale.
2. Structure de l'os cortical normal.
II. PROPRIETES MECANIQUES DE L'OS CORTICAL.
1. Résistance à la traction.
2. Résistance â la compression.
3. Résistance â la flexion.
4. Elasticité de l'os cortical.
III. MECANISME DE LA CONSOLIDATION DES FRACTURES.
IV. EXPLORATION DE LA CONSOLIDATION DES FRACTURES. REVUE DE LA LITTERATURE.
1. Etudes expérimentales.
A. Examen histologique.
B. Examen radiographique.
C. Etudes Isotopiques.
D. Méthodes vibratoires.
E. Utilisation des potentiels électriques de l'os.
F. Etude des propriétés mécaniques du cal.
2, Exploration de la consolidation en clinique.
A. Méthgdes^cgnventignnelles :
a) évaluation manuelle de la rigidité
b) notion de temps écoulé depuis la fracture c) radiographie
B. Nguvelles_méthgdes_d_|,investigatign ;
a) méthodes vibratoires b) méthodes thermométriques c) méthodes biologiques d) méthodes lsotopi.^iies
e) exploration des propriétés mécaniques du cal f) etude des potentiels électriques de l'os
3. Conclusion.
DEUXIEME PARTIE. MESURE DE LA RIGIDITE DU CAL IN VIVO.
ETUDE THEORIQUE.
I. OS LONG FRACTURE SOLLICITE EN TRACTION.
II. OS LONG FRACTURE SOLLICITE EN FLEXION.
1. Système simplement appuyé.
2. Système encastré.
III.
os
LONG FRACTURE FIXE PAR UN CLOU CENTROMEDULLAIRE SOLLICITE EN FLEXION.IV. OS LONG FRACTURE FIXE PAR UNE PLAQUE VISSEE SOLLICITE EN FLEXION.
V. OS LONG FRACTURE FIXE PAR OSTEOTAXIS SOLLICITE EN FLEXION.
VI. ETUDE THEORIQUE DU MATERIEL UTILISE POUR L'EXPERIMENTATION ANIMALE.
VII. DISCUSSION.
VIII. CONCLUSIONS.
TROISIEME PARTIE. ETUDE EXPERIMENTALE ET CLINIQUE.
I. ETUDE EXPERIMENTALE.
1. Matériel et méthode.
A. Mesure de la consolidation.
B. Variations dues aux modifications d'ancrage des fiches.
C. Rigidité du tibia consolidé.
D. Comportement visco-élastique du cal.
2. Résultats.
A. Mesure de la consolidation.
B. Variations dues aux modifications d'ancrage des fiches.
C. Rigidité du tibia consolidé.
D. Comportement visco-élastique du cal.
3. Discussion.
4. Conclusion.
II. ETUDE CLINIQUE.
1. Introduction.
2. Matériel et méthode.
A. Application de la méthode à l'ostêotaxls.
B. Application de la méthode au clou centromédullaire.
3. Résultats.
a) précision de la méthode b) types de courbes obtenues :
a consolidation normale 6 consolidation lente
Y consolidation pathologique : 1 pseudarthrose
il arrêt d'évolution du cal
iii ostéolyse du foyer de fracture iv rupture du cal
c) caractéristiques des courbes
d) signification statistique des courbes
® • è22ii2§ti2S_^f _iâ-0êtî}2^ê-,âE_2i213ilDtrgraédullaire.
4. Discussion.
A. Segment__crgissant ;
a) les micro-mouvements
b) la solubilité de l'apatite
B. Segment_dégroissant.
5. Conclusions.
QUATRIEME PARTIE. APERÇUS THEORIQUES SUR L'OSTEOSYNTHESE.
I. ELEMENTS DE RESISTANCE MECANIQUE D'UNE OSTEOSYNTHESE.
1. Connaissance des forc<^g agissant au niveau du matériel d'ostéosynthèse.
A*
B. Contraintes de service :
a) abord théorique
b) mesure directe des contraintes c) sollicitations accidentelles
2. Evaluation des caractéristiques mécaniques de l^ostéo synthèse.
A. Ancrage de l'ostéosynthèse.
B. Caractéristiques du matériel d'ostéosynthèse.
C. Caractéristiques du foyer de fracture.
D. Influence de la consolidation sur les contraintes de l'implant.
II. ETUDE THEORIQUE DE LA RESISTANCE MECANIQUE D*UNE OSTEO
SYNTHESE ; IMPORTANCE DES CARACTERISTIQUES DU FOYER DE FRACTURE ET DU CAL.
1. Matériel et méthode.
2. Résultats.
A. ǧ£§Çtéristigues_du_fgYer_de_ffacture.
B. Î5îggrtance_de_la_longueur_du_cal :
a) os long fracturé sollicité en traction b) os long fracturé sollicité en flexion c) os long fracturé fixé par plaque vissée
sollicité en flexion
d) os long fracturé fixé par ostéotaxis sollicité en flexion.
de_l_J^imglant.
III. ETUDE CLINIQUE DES DEFAILLANCES DU MATERIEL D'OSTEO
SYNTHESE.
1. Mécanisme de défaillance du matériel.
A. La sollicitation statique.
B. La sollicitation dyneunique.
C. La corrosion.
2. Etude clinique.
IV. DISCUSSION.
V. CONCLUSION.
VI. CONCLUSIONS GENERALES.
1.
INTRODUCTION.
La biomécanique, science qui a pour but l'étude des propriétés physiques et des caractéristiques mécaniques des systèmes biologiques, est née de l'association de différentes disciplines : médecine, physique, mécanique.
La biomécanique de la consolidation des fractures est un domaine complexe dans lequel nous reconnaîtrons :
1. L'étude des conditions mécaniques qui contrôlent et caractérisent la différenciation tissulaire du cal, aspect abordé le premier avec les travaux de ROUX
(1895), PAUWELS (1940), BASSETT (1962), KROMPECHER (1967) .
2. L'analyse des propriétés mécaniques du cal aux diffé
rents stades de son évolution et de son remaniement adaptatif.
3. La connaissance des propriétés mécaniques du matériel de synthèse et du complexe "os-cal-métal", indispensa
ble devant le développement actuel des techniques d'os
téosynthèse.
L'objet de ce travail est de proposer une méthode d'étu
de des propriétés mécaniques du cal, la consolidation d'une fracture étant la restauration des propriétés physiques de l'os antérieures au traumatisme. Nous avons pu préciser, par une étude théorique, quelles sont les possibilités et les limites d'une telle méthode. L'application de cette
technique au laboratoire et en clinique nous a permis de dégager certains aspects fondamentaux du phénomène de consolidation.
Enfin, l'étude des caractéristiques mécaniques d'une ostéosynthèse (complexe "os-cal-métal") découlera, en partie, des résultats de l'analyse théorique des métho
des de mesures de la consolidation.
Notre travail faisant largement appel aux propriétés physiques du cal et de l'os, nous croyons indispensable de résumer rapidement les caractéristiques du tissu osseux compact et le déroulement du phénomène de conso
lidation.
Nous remercions le Professeur J. VAN GEERTRUYDEN et le Professeur R. de MARNEFFE de la confiance qu'ils nous ont témoignée, ainsi que de l'aide qu'ils nous ont procu
rée pour l'élaboration et la poursuite de ce travail.
Notre étude a été réalisée dans le Centre Interdisci
plinaire de Biomécanique Osseuse groupant des laboratoires de l'Université Libre de Bruxelles et de l'Ecole Royale Militaire.
Nous remercions tous les promoteurs et directeurs de recherche du centre pour leur aide.
L'étude théorique des méthodes de mesure de la consoli
dation a été réalisée en collaboration avec le Professeur R. BOÜRGOIS. Il a bien voulu consacrer de longues heures à des calculs souvent fastidieux, mais gr&ce auxquels nous
pouvons espérer une interprétation correcte des résultats expérimentaux et cliniques.
Une partie de ce travail a été réalisée en 1969 à la Clinique Orthopédique et de Traumatologie de l'Hôpital Cochin à Paris, dirigée alors par le Professeur R. MEPLE d'AÜBIGNE.
C'est en collaboration avec les Professeurs P. MAURER, J. ZUCMAN et J.H. AUBRIOT que nous avons appliqué notre technique au clou centromédullalre.
L'application systématique en clinique de la mesure de la consolidation a bénéficié du concours du Docteur M.
HINSENKAMP, de Mesdames M. DONKERWOLCKE, H. d'HOLLANDER- GREER, F. MOULART et C. NICOO.
Nous remercions Madame A. DEDRY, Messieurs G.GEMOETS et P. VERSTICHEL pour le soin qu'ils ont apporté à la dactylographie et la réalisation des documents photogra
phiques de ce travail.
Enfin, c'est de tout coeur que nous remercions les ingénieurs et techniciens des différents services et labo ratolres, tous ceux et celles qui nous ont apporté leur collaboration souriante et efficace.
PREMIERE PARTIE.
I. COMPOSITION ET STRUCTURE DE L'OS CORTICAL NORMAL.
Si le tissu osseux a un rôle métabolique en tant que réservoir minéral, sa fonction principale est d'ordre mécanique. Par leurs caractéristiques physiques, les os
servent de protection et de support au corps, de leviers sur lesquels s'exerce l'action musculaire. Les proprié
tés mécaniques de l'os dépendent à la fois de sa compo
sition et de sa structure.
1. Composition de l'os cortical normal.
Les éléments cellulaires sont enrobés dans un substrat organique sur lequel se dépose la phase minérale.
A. Substrat_grganigue.
Il est représenté par des fibrilles collagènes, nées de l'union de macromolécules polypeptidiques, et par une substance interfibrillaire.
D'après Mc LEAN et al. (1955), 95 % de la matrice organique sont représentés par le collagène, les 5 % restants par une "substance fondamentale" comblant
les espaces interfibrillaires et qui pourrait agir comme un ciment unissant les fibres.
Le processus de calcification, transformation du
matériel ionique sérique en un solide, est mal connu, ainsi d'ailleurs que la nature exacte de la phase minérale. Le nucléus se formerait dans le milieu extracellulaire et se développerait par diffusion
6.
ionique. Cette hypothèse parait raisonnable si on admet la sursaturation du sérum par rapport à la phase minérale. Pour TAVES (1965) cependant, les cellules ont un rôle actif dans la nucléation et dans le mouvement des ions. Quelle que soit la structure osseuse, calcium et phosphore semblent être présents sous forme d'hydroxyapatite de rap
port molaire 1.70 (WOLLAST et al., 1971). Les élé
ments secondaires, sodium, magnésium, carbonate, ...
seraient adsorbés à la surface des cristaux d'hydro
xyapatite (NEUMAN et al., 1958 ; BURNY et al., 1972).
Qu'il s'agisse de plaquettes (ROBINSON, 1952) ou de bâtonnets (CARLSTROM, 1955 ; FINEAN et al., 1954), les cristaux sont orientés parallèlement au grand axe des fibres collagènes. Leurs dimensions augmen
tent avec l'âge du dépôt minéral (WALLGREN, 1957).
En plus de ces éléments cristallins, TERMINE (19C6) a mis en évidence une phase minérale amorphe, repré
sentant 30 % de la minéralisation de l'os. Il n'est pas exclu que la fraction cristalline soit respon
sable des propriétés mécaniques et la fraction cunor- phe, chimiquement plus active, des échanges métabo
liques de l'os.
2. Structure de l'os cortical normal.
Chez le foetus, la compacte est constituée de tracébules de tissu osseux non lamellaire qui délimitent de grandes cavités contenant des vaisseaux (canaux de Havers pri
maires, AMPRINO et al., 1936). De l'os lamellaire dépo
sé dans la région sous périostée et autour des vaisseaux remplacera progressivement l'os foetal. Des cavités de résorption apparaîtront à l'intérieur de la corticale ;
7
elles se combleront par dépôt de systèmes lamellaires concentriques formant les ostéones secondaires.
Par sa forme, la corticale des os longs offre une résistance optimale aux efforts dominants (MARIQÜE, 1945 ; PAUWELS, 1950). Cette manifestation de la loi de WOLFF (1892) se retrouve au niveau de la microstruc
ture : les ostéones, plus fréquents dans les zones les plus sollicitées, auraient pour effet de diminuer les contraintes (BLAIMONT, 1968) et d'augmenter l'énergie nécessaire à la production d'une fracture (PIEKARSKI, 1970 ; POPE, 1972).
II. PROPRIETES MECANIQUES DE L'OS CORTICAL.
Le squelette est soumis à des "contraintes de service" : action de la pression sanguine, de la pesanteur et du tonus musculaire. Bien plus que d'efforts statiques, il s'agit le plus souvent de sollicitations dynamiques.
Les propriétés mécaniques de l'os répondent à ces solli
citations. Elles ont pu être déterminées expérimentalement, les premières tentatives remontant au 18ème siècle (VAN MUSSCHENBROEK, 1762).
8.
1. Résistance à la traction.
Témoin de la complexité des propriétés physiques de l'os, la résistance à la traction est variable d'un os à l'autre, au sein d'une même dlaphyse et vraisem
blablement dans l'épaisseur d'une même corticale (BLAIMONT, 1968). La valeur moyenne de la résistance à la traction d'éprouvettes osseuses prélevées sui
vant le grand axe du fémur varie suivant les auteurs, de 10.5 à 15.5 kg/mm^ (BURNY, 1975).
2. Résistance à la compression.
Elle varie selon l'orientation des axes d'essai par rapport aux fibres (DEMPSTER et al., 1952). AMTMANN (1968), sur 703 éprouvettes prélevées sur fémur sec, trouve une valeur de résistance à la compression de l'ordre de 23 kg/mm .2
Caractéristique des matériaux fragiles, la grande dif
férence entre résistance à la traction et résistance à la compression ne se retrouve pas pour l'os, où ces deux valeurs sont relativement voisines. Manifestation de précontrainte pour KNESE (1958) et pour LEUNG (1971) , ce comportement est, pour CURREY (1964), expliqué par les propriétés des matériaux biphasiques.
3. Résistance à la flexion.
Les essais de flexion, d'une réalisation plus délicate, ont été moins exploités. La plus grande résistance à la flexion est obtenue quand les fibres collagènes sont parallèles au grand axe de l'éprouvette (MAJ et al..
1937). Les valeurs obtenues par TSUDA (1957) sont com- prises entre 14.2 et 17.7. Icg/mm pour des échantillons 2 de fémur frais.
4. Elasticité de l'os cortical.
L'élasticité d'un matériel est la propriété qu'il a de reprendre sa forme initiale, après déformation par une force extérieure.
D'après BLAIMONT (1968), le module d'élasticité de l'os cortical de la diaphyse fémorale varie de 825 à 2.255 kg/mm . Cette dispersion des résultats serait liée aux 2 variations de structure.
L'os se comporte en outre comme un matériau viscoélas- tique. SEDLIN (1965) a défini le comportement rhéolo
gique de l'os cortical :
- l'importance de la déformation produite pour un cer
tain niveau de charge est proportionnelle à la vites
se de mise en charge
- si on impose une déformation constante à l'os, on assiste à une diminution progressive de la charge au cours du temps
- si la charge est maintenue constante, l'os continue
ra à se déformer.
Pour CURREY (1965), ce comportement, lié à la présence de liaisons peu stables qui se rompent, n'est pas éton
nante, étant donné l'importance de la fraction organi
que de l'os. Ces phénomènes d'anélasticité sont beaucoup plus marqués dans les tissus non minéralisés comme la
10.
peau (RIDGE et al., 1964), (HIRSCH et al., 1968), les et le cartilage (ARNOLD et
l'anneau fibreux tendons (VIIDIK, al., 1974) .
vertébral 1966, 1968)
III. MECANISME DE LA CONSOLIDATION DES FRACTURES.
La consolidation d'une fracture est définie conune la restauration des propriétés mécaniques de l'os antérieures au traumatisme. Le processus de consolidation semble être une succession de phénomènes physiologiques, réactions normales du tissu osseux à des circonstances exceptionnel
les (BURNY et al., 1976).
Nous définirons le cal, résultat d'une prolifération cellulaire dont l'aspect téléologique est loin d'être évi
dent, comme une néoformation tissulaire localisée au ni
veau et à proximité du foyer de fracture, débutant immédia
tement après le traumatisme et pouvant persister après la phase de remaniement, en tant que masse cicatricielle.
La prolifération cellulaire serait une conséquence des perturbations mécaniques des tissus voisins du foyer de fracture. Nous avons émis l'hypothèse que les déplacements survenant au niveau du foyer de fracture instable entraî
nent une sollicitation du manchon périosté engainant le cal et l'os. Cette sollicitation périostée, au-delà d'un certain seuil, déclencherait une prolifération cellulaire
proportionnelle à son intensité (BURNY et al., 1976).
La minéralisation du cal, achèvement du processus d'os
sification, confère au tissu sa qualité de soutien.
Nous schématiserons brièvement la séquence des trans
formations tissulaires au niveau du foyer de fracture.
Ce schéma pourra nous être utile pour l'interprétation des résultats des mesures de la consolidation.
a) Immédiatement après la fracture apparaît un hématome interfragmentaire qui s'encapsule bientôt. Il met longtemps à disparaître et des traces en subsistent encore au moment où la soudure osseuse est établie
(COUTELIER, 1969) .
b) Sous l'influence de la couche cellulaire basale du périoste (UDUPA, 1966), on assiste à l'élaboration de mucopolysaccharides et a la gélification du foyer de fracture.
c) Ce caillot se transforme en tissu indifférencié habité de cellules, voisines des fibroblastes, qui donneront naissance aux fibres collagènes.
d) A ce stade, le tissu fibreux peut se transformer soit directement en os, soit en cartilage. Sa destinée dé
pend de sa vascularisation : le tissu osseux, métabo- liquement très actif, nécessite des conditions de vie aérobies, c'est-à-dire une bonne vascularisation. Dans les conditions d'hypoxie, seul le cartilage se dévelop
pe. L'anoxie conduit au tissu chondroïde (BASSETT, 1962 KROMPECHER, 1967). La persistance, en cours de consoli
dation, d'une mobilité au niveau du foyer de fracture cisaille les capillaires néoformés et est responsable
12.
de la présence de cartilage dans le foyer ; on n'en retrouve pas si les conditions de stabilité sont satis
faisantes (de MARNEFFE, 1969 ; LUHR, 1969 ; OPDECAM et al., 1969) .
SLATIS et al. (1965) ont apprécié l'évolution de la composition du cal au cours du temps pour une fracture de tibia chez le rat (Tableau I) :
% OS NEUF % CARTILAGE % TISSU FIBREUX
1 semaine 16 24 30
2 semaines 22 29 42
4 semaines 25 16 42
8 semaines 52 10 9
12 semaines 62 Iz 16
16 semaines 56 10 10
22 semaines 55 0.3 4
Tableau I ; Evolution du pourcentage des différents tissus dans un cal d'un os long, au cours du temps
(d'après SLATIS et al., 1965).
Nous assistons, entre la 4ême et la Sème semaine, à
une apparition rapide d'os neuf et une diminution parallèle de tissu fibreux.
CARTIER et al. (1960) définissent trois phases dans la minéralisation du cal chez le lapin : phosphorylation jus
qu'à la 2ème semaine, minéralisation rapide jusqu'à la 3ème semaine, puis plus lente, de la 3ème à la 6ème semai-
ne, correspondant à l'accroissement du volume du cal.
La première phase est respectée en cas de pseudarthrose mais la minéralisation s'infléchit quand le cal est par
tiellement calcifié.
IV. EXPLORATION DE LA CONSOLIDATION DES FRACTURES. REVUE DE LA LITTERATURE.
Malgré les innombrables travaux qui lui ont été consa
crés, l'évolution normale du processus de consolidation reste paradoxalement mal connue. "La notion de consolida
tion d'une fracture diffère selon qu'ellt est exprimée en données cliniques ou appréciée par le critère de soli
dité mécanique" (CARTIER et al., 1960).
Les moyens d'investigation utilisés font appel, soit aux propriétés mécaniques du cal, soit plus souvent à d'autres éléments (vascularisation, minéralisation, ...) plus ou moins liés à ces propriétés.
1. Etudes expérimentales.
De nombreuses techniques ont été appliquées à l'étude expérimentale de la consolidation des fractures.
14.
A. Ex^en_histolggigue.
Il permet de définir la nature du tissu constituant le cal, la chronologie de sa transformation et son organisation structurelle. L'histologie a été combi
née avec succès au marquage de l'os par les substan
ces fluorescentes (COUTELIER, 1969). Cette techni
que reste une méthode d'investigation limitée, peu apte à apprécier les propriétés physiques du cal et incapable de nous renseigner sur son évolution dans chaque cas particulier.
B. Examen_radiggraphigue.
Méthode universellement utilisée pour juger du stade de la consolidation, la radiographie fournit des in
dications sur le degre de minéralisation et, dans certaines limites, sur le volume du cal. L'avantage
indéniable de la radiographie est de permettre une étude de la consolidation in vivo, aussi imprécise soit-elle.
SLATIS et al. (1965), LINDHOLM et al. (1970) prati
quent des planimétries du cal à différents moments de son évolution et notent ainsi la variation de son
"volume" au cours du temps.
L'appréciation exacte du degré de minéralisation à l'aide de la radiographie est difficile. VOSE et al.
(1961) ont démontré qu'il est impossible de calculer l'absorption des rayons X par les différentes phases tissulaires constituant le cal dont on ignore la cons
titution et la répartition. A la suite de OMNEL (1957), ils ont développé une méthode de mesure de la teneur
15
minérale basée sur la notion d'équivalent aluminium du cal. BACIU (1962) également, a tenté d'établir un index radiographique permettant d'objectiver l'é
volution du cal.
En outre, la minéralisation et la qualité mécanique ne semblent pas liées. Mc KEOWN et al., dès 1932, ont attiré l'attention sur le fait que la densité du cal n'est pas un index vrai de la résistance de l'os.
Pour HABLER (1933), il n’existe aucune corrélation entre l'image radiologique et la résistance du foyer de fracture.
C. Etudes isotopiques.
Injectés dans l'organisme, certains isotopes radio
actifs (Ca^ , Sr'* , ...) se fixent sélectivement aux endroits de remaniement osseux.
Ces techniques, témoins d'une activité osseuse ac
crue, ne donnent malheureusement aucune indication sur le taux de consolidation.
D. M§thodes_vibratoires.
Ces méthodes utilisent les propriétés des vibrations sonores ou ultra sonores.
Pour tester le cal, SIEGEL et al. (1958) se basent sur les caractéristiques de propagation du son dans un milieu solide. La vitesse de propagation du son
(V) est définie par la relation V = \fÊb , où E est le module de Young du solide et D sa densité. Le train d'ondes sonores appliqué au niveau d'un fragment est
16.
recueilli dans l'autre au travers de la peau. Le temps écoulé entre l'émission et la réception mesure la vi
tesse de propagation du son. L'étude de SIEGEL et al.
(1958) sur le lapin, après fracture du tibia, a mon
tré que, dans les cas qui cicatrisent normalement, la vitesse de propagation revient à la normale au moment de la consolidation clinique. Les auteurs tentent d'é
tablir une corrélation entre la vitesse du son et la séquence histologique décrite par URIST et al. (1943) au niveau du foyer de fracture : si l'hématome post
fracturaire propage le son à la même vitesse que l'os, le tissu de granulation et surtout le tissu fibro- cartilagineux le ralentissent ; l'ossification permet un retour à la vitesse de propagation de l'os normal.
ABENDSCHEIN et al. (1972) étudient la relation entre la vitesse de propagation des ultra-sons et le module d'élasticité de l'os en voie de consolidation. Les cobayes utilisés sont sacrifiés six mois après la frac
ture et la diaphyse fémorale prélevée est vidée de la moëlle et nettoyée des tissus mous. La vitesse de pro
pagation longitudinale des ultra-sons (100 KHz) est mesurée pour chacun des spécimens et comparée à la vitesse de propagation dans une diaphyse normale. Les spécimens sont ensuite testés en flexion de façon à déterminer le module d'élasticité. Les résultats des trois séries de mesures ; vitesse de propagation des ultra-sons, module d'élasticité et radiographie sont comparés. "It appears that the velocity of ultrasonic energy through healing bone reflects not only the cli- nical or radiologie description but, more importantly, provides an accurate measure of the physical caracte- ristics of bone".
17.
BUTURLA et al. (1973) utilisent la méthode des élé
ments finis pour rechercher les caractéristiques de traversée du cal par une onde de configuration con
nue .
En 1966, FRIEDENBERG et al. ont mis en évidence, chez le lapin, une électroposivité de la diaphyse par rap
port aux zones épiphysaires et métaphysaires. En cas de fracture, tout l'os devient électronégatif, plus particulièrement au niveau du foyer. La restauration du schéma électrique normal se fera en cours de con
solidation, progressivement, la dernière zone anorma
le étant la zone de la fracture. Pour les auteurs, les potentiels électriques mesurés seraient la résul
tante de l'activité de plusieurs sources : métaboli
que, physico-chimique, ... Ces constatations sont à mettre en rapport avec la notion d'électronégativité des zones de croissance ou de régénération (métaphyse ou cal).
^ Ë_EE2EEi§£ÉË_ï?É2§2i32§2_y2_2§i •
Ces méthodes étudient directement les propriétés prin
cipales du cal. La plupart des expériences ont été réa
lisées sur l'os isolé.
LINDSAY et al. (1931) ont les premiers étudié la résis
tance du cal à différents stades de son évolution : jusqu'au 6ème jour (fracture du péroné chez le rat), il est impossible de tester la résistance en flexion du cal, à cause du manque de rigidité du tissu fibreux qui le compose. L'évolution de la consolidation n'est
18.
pas régulière dans le temps : une première phase d'augmentation est suivie d'une diminution de la résistance, puis d'une nouvelle élévation.
Ces caractéristiques sont retrouvées par HOWES et al. (1934) qui les expliquent de la façon suivante : pendant la phase fibreuse, le cal ne présente aucune résistance à la flexion ; l'augmentation de résistan
ce du 6ème au 20ème jour correspond à la formation du cal primaire, sa diminution de résistance au remanie
ment ; l'organisation du cal entraîne une nouvelle augmentation de la résistance.
Pour PEYTON et al. (1934), le cal fibreux, inaccessi
ble par la radiographie, peut être testé par des es
sais de traction. Ils insistent sur l'impossibilité qu'il y a à analyser mathématiquement les résultats des essais de traction en raison du nombre d'inconnues.
Pour eux, la résistance semble ne plus augmenter à partir du 30ème jour et reste inférieure à la normale.
Il faudrait 60 jours pour récupérer la rigidité nor
male de l'os.
COPP et al. (1945) définissent la résistance relative du cal par rapport à l'os intact hétérolatéral. La consolidation est définie par une résistance relative de 1.
FALKENBERG (1961) étudie la résistance à la traction du cal : résistance absolue et résistance spécifique
(obtenue en divisant la résistance absolue par la sur
face de section du cal). Ces deux mesures caractérisent le cal. La résistance absolue définit la valeur globa
le du cal, la résistance spécifique, sa qualité. Il semble que la consolidation se fasse d'abord grossiè
19.
rement, la qualité du cal ne s'améliorant que plus lentement.
LETTIN (1965) investigue la rigidité de l'os fracturé, représentée par la pente de la courbe charge-déforma
tion.
UDUPA (1966) teste la résistance du cal en traction et calcule la résistance spécifique comme le fait FALKEN- BERG. Il établit un parallèle entre la résistance du cal et sa teneur en collagène.
Pour HENRY et al. (1968), ni l'examen histologique, ni la radiographie ne mesurent l'état fonctionnel du foyer de fracture. Ils testent la résistance à la flexion et la rigidité du radius de lapin fracturé :
- à 5 semaines, ils constatent une corrélation entre rigidité et résistance du cal. La pente de la droi
te de régression indique une évolution plus rapide de la rigidité. Ils en concluent : "fracture hea-
ling is a self regulating mechanism governed by signais dépendent on deflections occuring in hea- ling bone",
- au même moment (5 semaines), la division des frac
tures en types "consolidation" et "pseudarthrose"
est impossible. Les deux groupes sont fusionnés par toute une gamme de situations intermédiaires,
- vers 9 ou 10 semaines, la rigidité de l'os frac
turé dépasse celle de l'os normal, alors que la résistance reste diminuée (ces résultats confirment ceux de PEYTON et al., 1934).
20.
Signalons encore les travaux de WRAY et al. (1963) et de BLUMEL (1969) qui étudient la résistance du cal dans différentes conditions expérimentales et de JONES et al. (1963) qui démontrent le rôle favo
risant des copeaux d * os sur la consolidation (Tableau II) .
Il n'existe, a notre connaissance, qu'une seule ten
tative d'étude des propriétés mécaniques du cal in vivo, celle de STRUCK et al. (1967) qui ont décrit une méthode de mesure de la rigidité du fémur chez le chien. La cuisse est soumise à une flexion entre deux appuis réalisés par des anneaux plâtrés. Une charge perpendiculaire à l'os est appliquée entre ces deux appuis et les déformations, en regard du foyer de fracture, sont mesurées à l'aide d'un compa
rateur. Les premiers résultats présentés en 1969 (BENFER et al.), comparaient la consolidation des fractures immobilisées par plâtre et par plaque à compression et concluaient à une a<"célération de la consolidation sous l'influence de la compression!
21
AUTEURS OS ETUDIE MODE D'ETUDE CONCLUSIONS
LINDSAY (1931)
péroné de rat
flexion Pas d'investigation possible avant le 6ème jour, en rai
son de la nature du cal.
PEYTON (1934)
cubitus de lapin
flexion traction torsion
Le cal fibreux ne peut être étudié qu'en traction. La résistance du cal augmente jusqu'au 30ème jour. La rigi
dité, étudiée en flexion et en torsion, augmente jusqu' au 60ème jour.
HOWES (1934)
péroné de rat
flexion Evolution de la consolidation en 4 phases.
COPP (1945)
péroné de rat
flexion Introduit la notion de résis
tance relative du cal. La ré
sistance relative du cal re
viendrait à la normale en 16 jours.
FALKENBERG (1961)
radius de lapin
traction Le cal fibreux persiste 10 jours. La résistance augmen
te linéairement jusqu'à 24 jours. Introduit la notion de résistance spécifique du cal.
WRAY (1963)
tibia de rat
flexion La résistance augmente jus
qu'à 80 jours et dépasse celle de l'os normal.
LETTIN (1965)
tibia de lapin
flexion La rigidité de l'os fracturé revient à la normale en 8 semaines.
UDUPA (1966)
humérus de rat
traction La résistance à la traction vaut 63 % de celle de l'os sain à la 6ème semaine. La résistance augmente parallè
lement à la teneur en colla
gène .
HENRY (1968)
radius de lapin
flexion Etudie la résistance et la rigidité du cal.
Tableau II ; Principales études des propriétés mécaniques du cal chez l'animal.
22.
2. Exploration de la consolidation en clinique.
Les objectifs des méthodes d'étude de la consolidation des fractures chez l'homme sont :
- apprécier le degré de consolidation
- diagnostiquer une éventuelle anomalie de consolida
tion
- déterminer le moment de reprise de la fonction.
Les méthodes d'exploration, en clinique, sont limitées par différents facteurs : elles doivent respecter l'in
tégrité du cal et ne peuvent en aucun cas altérer son évolution ; elles doivent être indolores et ne faire courir aucun risque au patient.
A. Méthodes conventionnelles.
"Une étude quantitative de la consolidation des fractures est impossible chez l'iiomme, car elle repose sur des critères imprécis (aspects radio
logiques) ou subjectifs (solidité mécanique)"
(CARTIER et al., 1960).
Contrôle direct des propriétés physiques du cal et de sa sensibilité, l'évaluation manuelle de la rigidité est malheureusement subjective ; les déplacements ne peuvent être mesurés. "On fait saisir par deux aides le membre malade de chaque côté de la fracture et, tandis qu'avec beaucoup de ménagement, ils essaient de le faire plier, on tâte l'endroit de la fracture. Si on sent l'os fléchir dans ce point, ce qui annonce que le cal
23 .
n'est pas assez solide, il faut aussitôt remettre le membre dans l'appareil" (TAVERNIER, 1828).
La mobilité du foyer est difficile à tester, surtout si la fracture siège près d'une articulation. En outre, la mobilité diminuant quand la consolidation progresse, sa mise en évidence devient de plus en plus difficile.
Néanmoins, MATTHEWS et al. (1974) ont montré à l'aide d'un modèle expérimental que la plupart des chirurgiens osseux peuvent percevoir une défor
mation angulaire de 2.3° !
La méthode d'évaluation manuelle de la rigidité du cal n'est pas applicable aux fractures traitées par ostéosynthèse.
C'est une notion ancienne qui n'a malheureusement qu'une valeur statistique. Elle est en outre toute relative. On devra attendre plus longtemps pour les os sollicités que pour ceux qui ne supportent que de faibles efforts.
Le Tableau III, emprunté à MERLE d'AUBIGNE (1951), indique les temps approximatifs de consolidation et la durée minima d'immobilisation de quelques fractures.
Le Tableau IV (ÜRIST et al., 1943) indique la durée de consolidation de certains types de fractures.
24
TEMPS APPROXIMATIF DE CONSOLIDATION
DUREE MINIMA : D'IMMOBILISATION :
[ Clavicule 3 semaines 3 semaines '
1 Humérus : extrémité supérieure 1 mois 15 jours ’
[ diaphyse 45 jours 2 mois [
‘ extrémité inférieure 1 mois 1 mois 1
[ Avant-bras : 1 os 2 mois 2 mois
[ 2 os 2 mois 3 mois 1
[ Fémur ; col 3 mois 4 mois
trochanter 2 mois 3 mois
] diaphyse 2 mois 3 mois j
] extrémité inférieure 3 mois 3 mois 1
\ Jambe : extrémité supérieure 2 mois 3 mois 1
] diaphyse des 2 os 2 mois 3 mois '
[ Fracture bi-malléolaire 45 jours 2 mois i
Tableau III : Temps approximatif de consolidation et durée minima d'immobilisation de quelques fractures
(d'après MERLE d'AUBIGNE, 1951).
EXTREMITE SUPERIEURE EXTREMITE INFERIEURE ;
I II I II :
: Fracture spiroïde 3 6-12 6 12 ;
: Fracture transversale 6 12-18 12 24
Tableau IV ; Durée de consolidation de certains types de fractures : I. nombre de semaines nécessaires au pontage du foyer ; II. nombre de semaines nécessaires à la réparation de la corticale
(d'après URIST et al., 1943).
25.
Outil actuellement irremplaçable, elle a transfor
mé l'étude clinique de la consolidation. Radiolo
gues et chirurgiens sont cependant souvent décon
certés par les discordances apparentes ou réelles entre les résultats de l'examen clinique et l'as
pect radiologique (FACHAI, 1965). L'image radio
logique, fonction de la minéralisation du cal, dépend également des conditions de l'examen, des caractéristiques du rayonnement, de la méthode de développement. Tous ces facteurs sont diffici
les à contrôler en pratique. DUBROV (1969) propose l'étude des radiographies par microphotométrie, espérant ainsi obtenir des données objectives per
mettant la comparaison de radiographies d'un même cal au cours du temps.
Nous avons déjà signalé la discordance entre l'ima
ge radiologique et les caractéristiques mécaniques du cal. Plus que la minéralisation, la structure semble importante : l'apparition de travées dans un cal a une valeur mécanique réelle (KUNTSCHER, 1953). La tomographie pourra parfois révéler une éventuelle discontinuité dans le cal (CHRISMAN et al., 1968) .
B. Nouvelles méthodes d'investigation.
Les trois méthodes que nous venons de rappeler dont l'association est d'une efficacité incontestable, résument la technique actuelle d'étude de la consoli
dation. Elles ne peuvent cependant lever l'incertitu
de pour les cas évoluant à la limite de la normale et ne peuvent répondre aux questions que se pose le cli
nicien ;
26.
- peut-on permettre une fonction normale ? - la consolidation progresse-t-elle ou non ?
- le traitement d'un retard de consolidation est-il ou non efficace ?
C'est la nécessité de mieux pénétrer l'évolution cli
nique de la consolidation qui a stimulé le développe
ment de nouvelles techniques d'investigation qui ten
tent de préciser et de quantifier certaines propriétés du cal.
a) Méthodes_vibratoires.
Elles sont basées sur l'étude des caractéristiques de propagation des vibrations sonores ou ultra- sonores dans l'os.
ANDREWS (1903) utilise les modifications de propa
gation des sons dans l'os pour diagnostiquer les fractures. STIMSON (1917), STEWART (1921) et VIGEVANI (1925) en font un moyen de diagnostic rapide, en l'absence de radiographies. POLERA et al. (1929) notent des modifications complexes de la qualité du son transmis au travers d'un foyer de fracture, suivant le type de fracture. Pour
LIPPMAN (1932), lorsque la consolidation progresse, les caractéristiques du son transmis au-delà de la fracture se rapprochent de celles du son qui peut être obtenu au niveau de l'autre membre.
Mc GAW (1942) décrit l'application de cette métho
de à l'étude de la consolidation des fractures, sous le nom d'OSSEOSONOMETRIE : un vibrateur impri
me à l'os sa fréquence propre ; les caractéristiques du son (ici, la perte d'énergie vibratoire) mesurées
27.
au-delà du foyer dépendent du type de fracture, de la position des fragments, du stade de la consoli
dation, de la présence de matériel d'ostéosynthèse.
Cette méthode a été reprise par JERNBERGER (1967) ; l'énergie vibratoire produite est captée par un cristal piézoélectrique ; l'intensité du courant électrique produit est diminuée quand la vibration a traversé le foyer de fracture. La perte d'éner
gie est particulièrement importante au travers d'un foyer de pseudarthrose.
SIEGEL et al. (1958) utilisent le ralentissement du son par le foyer de fracture. Chez 26 patients atteints d'une fracture de tibia, la vitesse de pro
pagation du son est réduite de 4 à 10 % de sa valeur dans le tibia normal (3260 à 3572 m/sec.) . Ce ralen
tissement provoqué par le cal disparaîtrait progres
sivement quand la consolidation évolue. Les auteurs n'ont malheureusement pas eu l'occasion de poursui
vre leurs investigations cliniques jusqu'au moment de la consolidation. D'autre part, l'émission et l'enregistrement des impulsions sonores à travers la peau réduisent la précision de la méthode.
Plutôt que de recueillir leur information à partir des propriétés des ondes longitudinales, HORN et al.
(1965) ont fait appel à la composante transversale (shear waves) du faisceau ultra-sonore. En compa
rant la vitesse de propagation des ondes longitu
dinales à celle des ondes transversales, ils espè
rent obtenir des renseignements sur le degré de consolidation. Ils ne font malheureusement état d'aucun résultat, ni clinique, ni expérimental.
28.
ZALEVSKII (1964) décrit une technique d'étude des os à l'aide de ce qu'il appelle un "phonoendosco- peostéoscope" : il s'agit d'un stéthoscope dont la membrane est munie d'une aiguille qui est pi
quée dans un fragment tandis que l'autre est sou
mis à une percussion. Les modifications du son transmis à l'ostéoscope seraient fonction des ca
ractéristiques de l'os.
LEWIS et al. (1973) produisent une onde sinusoï
dale recueillie au-delà de la fracture. Au moment de la réduction, il n'y a pas de transmission.
Lors de chaque changement de plâtre, les auteurs notent une évolution progressive de l'onde vers la normale. Ils en concluent que la transmission de l'onde produite est sensible à la consolidation.
Enfin, HOLMES et al. (1958) et REID (1963) ont réalisé des coupes au travers des membres par scanning ultrasonore. Les images obtenues donnent cependant peu de renseignements sur l'état des os.
CAMPBELL et al. (1971) tentent d'estimer la conso
lidation d'un os par mesure de son impédance.
A la suite des travaux de JURIST (1970, 1973) , MARKEY et al. (1974) mesurent la variation de la fréquence de résonnance de 24 tibias fracturés,
en cours de consolidation. Ils trouvent une excellen
te corrélation entre ce paramètre, le temps écoulé depuis la fracture et l'aspect radiologique du cal.
Les résultats suggèrent en outre qu'au moment de la reprise de l'appui (13 à 14 semaines après la frac
29.
ture), la résistance du tibia fracturé atteindrait 50 % seulement de celle de l'os intact.
Mis à part les travaux de MARKEY et al. (1974), ces différentes tentatives ne semblent pas avoir donné les résultats souhaités ; la plupart ont été aban
données, même par leurs promoteurs.
b) Méthgdes_thermométrigues.
Elles exploitent l'augmentation de la chaleur des téguments en regard d'un foyer de fracture en évo
lution, témoin d'une hyperhémie localisée.
En 1956, BERNASCHEK réalise des thermométries chez 40 patients présentant une fracture de tibia. Après administration de vasodilatateur, la température augmente électivement du côté fracturé.
JUDET et al. (1960) utilisent des sondes thermo
sensibles de petite taille, introduites sous anes
thésie générale dans les téguments, au niveau du foyer et au niveau homologue du membre sain. Il est de règle de trouver une élévation de température en regard d'un foyer actif de pseudarthrose. Cette hyperthermie disparait avec la consolidation.
Cette manifestation thermique (déjà connue par TAVERNIER) a servi également de base à des études thermographiques. ALBERT et al. (1964) ont exploré la corrélation entre images radiographiques et ther
mographiques. Ils concluent à une diminution de l'émission infrarouge quand la consolidation pro
gresse. AARTS (1967) a également présenté des ima
ges "termiques" d'un foyer en évolution.
30.
Sous leur forme actuelle, ces études sont cepen
dant trop imprécises pour caractériser un niveau de consolidation. De plus, elles ne renseignent que sur l'état vasculaire du cal, caractère indé
pendant de ses propriétés mécaniques.
c) Méthodes_biglggigues.
"La consolidation des fractures s'accompagne de perturbations métaboliques qui se traduisent par une modification de l'électrophorèse". Telle est la base de la méthode d'étude de la consolidation proposée par ISELIN et al. en 1960.
L'élaboration du cal conjonctif est la conséquence d'une phase anabolique qui cesse lorsque la trame osseuse est restituée. On peut concevoir la conso
lidation anormale coipme le résultat d'un déséqui
libre métabolique : absence ou persistance anorma
le de la phase anabolique. C'est en fin de consoli
dation que l'électrophorèse prend toute sa valeur ; une augmentation des alpha 2 et des geunma globulines signe la présence d'un retard de consolidation (ana
bolisme persistant). Ce "signal biologique inédit"
peut précéder les signes radiologiques. Cette théo
rie est certes très séduisante, mais les auteurs ne l'ont malheureusement jamais étayée par une étude statistique indiscutable. A propos de la thèse de CORTESSE (1963), travail le plus important que nous ayons pu consulter à ce sujet, MERLE d'AUBIGNE
écrit : "L'auteur n'apporte aucun renseignement pré
cis sur les 334 cas étudiés et nous demande de le croire sur parole. Il faudrait des faits plus con
vaincants" .
31.
Séduits par les travaux d'ISELIN, VAN DER GHINST et al (1962) présentent une statistique de 36 cas, étudiés de façon détaillée. Sauf l'électro
phorèse normale en cas de pseudarthrose, ils ne retrouvent pas les résultats d'ISELIN.
de TOEUF et al. (1964) ne trouvent aucune diffé
rence statistiquement significative entre les électrophorèses de 29 patients consolidant norma
lement et de 23 autres atteints de retard de conso
lidation .
Il semble donc dangeureux d'accorder à l'électro
phorèse une valeur de signe absolu.
En 1947, HAUCK propose une méthode biologique d'in
vestigation de la consolidation : la mesure de la vitesse de sédimentation. La vitesse de sédimenta
tion s'élève rapidement au moment de la fracture pour diminuer progressivement jusqu'à la consolida
tion. Elle reste élevée en cas de pseudarthrose.
Pour von STENGER (1949) cependant, si certaines courbes de vitesse de sédimentation évoluent paral
lèlement à la consolidation, bien souvent le retour à la normale se fait plus précocement, la vitesse de sédimentation pouvant s'élever à nouveau lors de la reprise de la marche ou des dernières manipu
lations (enlèvement du plâtre, kinésithérapie, ...).
RETSCH (1949) présente 5 courbes d'évolution de la vitesse de sédimentation. Pour lui, il n'y a aucu
ne corrélation entre l'évolution de la vitesse de sédimentation et de la consolidation.
32.
Nous-mêmes n'avons trouvé aucun parallélisme entre la vitesse de sédimentation et l'évolu
tion de la guérison de fractures ostéosynthè- sées. Comme von STENGER, nous avons retrouvé un retour précoce à la normale et des altéra
tions liées aux manipulations (BURNY et al., 1976) .
La vitesse de sédimentation ne peut donc être retenue comme test de consolidation d'une frac
ture .
d) Méthodes_isotggigues.
On a parfois mis beaucoup d'espoir dans l'étude isotopique de la consolidation. La fixation d'iso
topes radio-actifs sur l'os ne fait cependant que traduire un remaniement particulièrement actif.
D'après WENDEBERG (1961), ces modifications peu
vent se rencontrer dans le tibia humain jusqu'à 9 ans après "consolidation" delà fracture.
En 1969, SEGMULLER et al. ont présenté une métho
de d'étude des peeudarthroses basée sur la fixa- tion de Sr au niveau du foyer. Leur but est de q 5 différencier les formes hyperactives des pseudar- throses "éteintes".
Pour GREIFF (1975), la captation du Te -Sn-Poly- 99 phosphate est un indicateur précoce de la forma
tion du cal ; il attribue une valeur pronostique au taux d'activité mesuré en regard de la fracture.
En cas de consolidation normale, un maximum est enregistré après un mois.
33.
e) Exgloratign_des__gropriétés_méçanigues_du_çal.
KUNTSCHER (1957) étudie les caractéristiques méca
niques du cal prélevé à l'occasion d'interventions chirurgicales. Cette méthode d'exception peut don
ner des informations sur les propriétés mécaniques du cal. C'est ainsi que l'auteur présente les ca
ractéristiques du cal d'une fracture d'humérus datant de 3 semaines chez un patient de 21 ans
(Tableau V).
Résistance à la traction ; 0.11 kg/mm2 Résistance à la compression ; 0.8 kg/mm2
L'élasticité du cal permet un allongement de 12 %
Tableau V ; Résistance du cal d'une fracture d'humé
rus (KUNTSCHER, 1957).
Mais c'est le plus souvent à la rigidité du foyer de fracture qu'il est fait appel lors de l'étude des propriétés mécaniques. C'est aussi l'objectif d'une des méthodes conventionnelles : l'évalua
tion manuelle du cal.
CHARNLEY (1965) a, le premier, tenté de mesurer l'amplitude des mouvements au niveau d'un foyer de fracture (arthrodèse du genou) ; les mouvements relatifs des deux fragments sont captés par une
34.
ampoule de MAREY et enregistrés sur noir de fumée.
Les mouvements mesurés sont des mouvements spon
tanés, dont l'amplitude diminue entre le moment de l'intervention et le premier mois post-opéra
toire. Cette technique, réalisée dans un but de démonstration uniquement, n'a jeûnais été utilisée pour des mesures de consolidation.
La seconde méthode qui propose une exploration de la rigidité du foyer de fracture a été développée par JERNBERGER (1970) : une traverse fixée sur l'os à l'aide de deux fiches, ponte la fracture, l'en
semble réalisant un cadre. La déformation de ce cadre, par une force prenant appui sur l'os au voisinage de la fracture, dépend de la rigidité du cal. Jusqu'à présent, cette technique a été utilisée seulement pour tester des fractures de tibia ou de fémur dont 1'évolution est douteuse.
Pour apprécier la stabilité des fractures de tibia, traitées par ostéotaxis, J0RGENSEN (1972, 1974, 1975) remplace la barre de fixation par un système de mesure au moment du test : un comparateur est fixé à une série de fiches, un butoir à l'autre ; un moment fléchissant de 0.6 kg.m est appliqué au foyer de fracture, dans le plan des fiches. L'au
teur autorise un appui avec barre de fixation en place et deux cannes si la déflection est égale ou inférieure à 1®.
Une représentation graphique de la phase finale de la consolidation a été établie pour 35 patients à évolution normale. L'allure de la courbe obtenue ne donne aucune indication quant à la résistance du cal, bien que l'on admette une certaine corrélation
35.
entre rigidité (paraunètre mesuré) et résistance.
Toute irrégularité dans la courbe est le signe d'un trouble de consolidation.
FRIEDENBERG et al. (1966) ont pu retrouver chez l'homme les résultats obtenus chez l'animal par mesure des potentiels électriques cutanés, en
regard de l'os fracturé. Chez 16 patients atteints d'une fracture du tibia, ils constatent une élec
tronégativité au voisinage de la fracture. Une activité électrique normale réapparaît progressi
vement en cours de consolidation.
3. Conclusion.
Tant dans le domaine expérimental que clinique, de nom
breuses techniques d'étude de la consolidation ont été essayées. Seule une mesure directe des propriétés méca
niques du cal peut permettre une évaluation de la conso
lidation. Les autres techniques ne peuvent fournir que des solutions approchées, souvent boiteuses.
Les méthodes traditionnelles d'investigation clinique que nous avons rappelées sont insuffisantes dans la
majorité des cas. Le manque de précision et parfois, les lacunes de ces méthodes, ont amené différents chercheurs à développer des modes de contrôle plus précis de la con
solidation.
Des quelques travaux expérimentaux que nous avons rappe
lés, peuvent se dégager les caractères évolutifs de cer
taines propriétés mécaniques du cal. C'est surtout le cal minéralisé qui a été étudié, le cal fibreux se prêtant mal à l'étude mécanique (LINDSAY et al., 1931 ; PEYTON,
et al., 1934) .
FALKENBERG (1961) démontre la dissociation entre résistance globale et résistance spécifique du cal, la première évoluant plus rapidement que la seconde.
Il semble ainsi que la mauvaise qualité de l'os nou
vellement formé soit corrigée par la quantité de cal déposée.
Pour HENRY et al. (1968), le retour à la normale de la rigidité de l'os fracturé précéderait le retour à la normale de la résistance.
Le remaniement du cal se traduit par une diminution de son volume coïncidant avec l'amélioration de la qualité de l'os (LINDSAY et al., 1931 ; hOWES et al., 1934 ; SLATIS et al., 1965).
Différentes tentatives ont été faites pour mesurer l'élasticité du cal ; à l'exception de la technique décrite par MARKEY et al. (1974), l'utilisation des propriétés des vibrations sonores a, jusqu'ici, été un échec. Les méthodes proposées par JERNBERGER et al. (1970) et J0RGENSEN (1972, 1974) ont donné des résultats plus encourageants.
DEUXIEME PARTIE.
MESURE DE LA RIGIDITE DU CAL IN VIVO, ETUDE THEORIQUE.
La fonction principale du squelette est mécanique. Il soutient l'organisme grâce à ses propriétés de résistan
ce et d'élasticité. Altérées par une fracture, ces carac
téristiques se rétabliront progressivement en cours de con solidation. La méthode idéale pour apprécier la consolida
tion doit faire appel directement aux propriétés mécanique du cal, les autres caractères (vascularisation, minéralisa tion, ...) plus faciles à tester peut-être, ne fournissant que des mesures indirectes.
La mesure de la rigidité du cal, essai non destructif utilisable en clinique, donne certaines indications quant aux propriétés mécaniques du ^^al.
La méthode d'étude que nous avons développée mesure, à différents moments de son évolution, la déformation du cal par une sollicitation connue, mesurable et reproductible.
Pratiquement, nous mesurons à l'aide de jauges extensomé- triques la déformation du matériel de synthèse fixant la fracture. On peut s'attendre à ce que, pour une sollicita
tion constante, les déformations de la poutre composite os-cal-matériel de synthèse diminuent au cours du temps, parallèlement à l'amélioration des caractéristiques physi
ques du cal.
Apprécier la consolidation d'une fracture consiste à déterminer la relation C = f(t) traduisant l'évolution de
la rigidité du cal (C) au cours du temps. Or les mesures que nous réalisons nous fournissent la relation D = f(t) ; variation de la déformation (D) d'un matériel d'ostéosyn-
39.
thèse au cours du temps, pour la sollicitation imposée.
Le but de l'étude théorique est d'établir, par le cal
cul, l'allure de la relation liant déformation et consoli
dation ; D = f(C). Nous avons établi la relation déforma
tion-consolidation ;
- dans le cas général où l'os fracturé, comparé à une poutre, est sollicité en traction
- dans le cas général où l'os fracturé, comparé à une poutre, est sollicité en flexion
- dans le cas où les déformations sont recueillies par ure jauge extensométrique collée sur un clou centro- médullaire, au niveau de la fracture, la sollicitation se faisant en flexion
- en utilisant une plaque vissée, dans les mêmes condi
tions que ci-dessus
- dans le cas où la jauge est collée sur la barre de fixa
tion d'un ostéotaxis (fixateur externe de Hoffmann)
- à l'occasion de l'étude théorique du dispositif qui a servi à l'étude expérimentale animale.
I. OS LONG FRACTURE SOLLICITE EN TRACTION.
Si l'on appelle AA l'allongement sous traction de l'ensemble os-cal (Figure 1) et si l'on admet que le cal se développe de façon homogène, on calcule que, sous l'in
fluence de la force P :
v \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \
40
Ll (a + b)P ^ t.P
En attribuant aux constantes les valeurs définies dans le Tableau VI, nous avons établi la courbe d'évolution de Ai en fonction de (les indices x indiquent qu'il s'agit des caractéristiques du cal).
a b
1 L
P
Figure 1 ; Modèle expérimental d'un os long fracturé sol
licité en traction.
41.
P = 1 kg a s= b = 80 mm I « 10 mm L = a + b + £.
El =0.18 lO** kg/mm^
fti = 400 mm^
II = 4.10'* nun**
force de mise en charge
os normal compris dans le système longueur du cal
longueur du système os + cal module de Young de l'os
surface de section de l'os moment d'inertie de l'os module de Young du cal surface de section du cal moment d'inertie du cal
Tableau VI : Valeurs numériques permettant le calcul des courbes d'évolution de la déformation du systè me os-cal sollicité en traction et en flexion.
La valeur minimum de ® moment de la frac
ture) . Nous choisirons comme limite supérieure = 150 % de Eifii, la consolidation parfaite se situant au moment où
~ Eifîi.
Les diagrammes de la Figure 2 ont été obtenus en portant en abscisse les valeurs de la consolidation (exprimée en % de rigidité de l'os normal) et en ordonnée les déformations
calculées (Tableau VII). La courbe a a été établie pour une valeur de A de 10 mm (a valant 80 mm) , la courbe B pour A = 5 mm. Les courbes A et B sont hyperboliques : diminuant
rapidement en début de consolidation, les déformations décroissent ensuite de moins en moins vite. La décrois
sance initiale sera d'autant plus accentuée que le rap
port i/(a + b) est plus petit.
Al mmir*
Figure 2 ; Relation entre déformations (en ordonnée) et
% de consolidation quand un segment d'os long fracturé est mis en traction.
Ai (10 ^mra)
(1 EiflO À (i = 10 mm) ; B(i = 5 mm)
0 00 • 00
10 3.47 ; 2.75
15 3.00 ; 2.61
20 2.77 ; 2.50
30 2.54 ; 2.38
40 2.43 ; 2.33
50 2.36 ; 2.29
60 2.31 • 2.26
70 2.28 ; 2.25
80 2.25 ; 2.24
90 2.23 : 2.23
100 2.22 ; 2.22
Tableau VII : Déformations calculées du système os-cal sollicité en traction ; la colonne A cor
respond à i = 10 mm ; la colonne B à i = 5 mm (a = 80 mm).
44.
II. OS LONG FRACTURE SOLLICITE EN FLEXION.
Deux cas seront envisagés suivant le mode de mise en charge. Nous admettrons dans les deux cas que le cal se développe de façon homogène, qu'il existe un plan de sy
métrie pour l'os et le cal et que la flexion a lieu dans ce plan.
1 • §Y2ËÉ!D®_®i2}BiêîDê!ît_§EEièYê •
Dans ce premier cas (Figure 3a), la flèche f, déforma
tion transversale au milieu de la poutre, est donnée par la relation :
f = P.a"
6 Eili E IX X
a. »
”
1
” (a + 4) +0,2 0
Te (a + 3^
\\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \
45.
♦ P
A
L
B
Figure 3 ; Modèle expérimental d'un os long fracturé sol
licité en flexion ; A : système simplement ap
puyé ; B : système encastré.
En substituant par les valeurs du Tableau VI, nous construisons le diagrêutune A de la Figure 4 (données du Tableau VIII).
46.
* E I
; X X
f (10 ^mm) ;
; (% Eiii) A. SYSTEME SIMPLEMENT APPUYE B. SYSTEME ENCASTRE ;
; 0 00 00 •
; 10 30.66 321 ;
i 15 23.71 291 ;
; 20 20.23 276 ;
! 30 16.75 261.5 ;
; 40 15.02 254.5 ;
; 50 13.96 250 ;
! 60 13.28 246.8 ;
î 70 12.78 244.8 ;
; 80 12.41 242.9 ;
; 90 12.12 241.6 ;
; 100 11.89 241 ;
; 150 11.19 237.8 ;
Tableau VIII : Déformations calculées d'un système os-cal sollicité en flexion ; A : système simplement appuyé ; B : système encastré.
47
2* §Y§tèine_engastré.
Le calcul suivant la méthode de Mohr, fournit la rela
tion :
Eili + (L-a) (L-a/2) +^(L-a/3)
E IX X bH(b+|)+ -y-(b + 2Z 3
expression de la composante verticale de la déformation en B (Figure 3b) (nous ne tenons pas compte ici de la déformation angulaire). En substituant par les valeurs du Tableau VI, nous obtenons les déformations reprises dans le Tableau VIII(B) à partir duquel nous construisons la courbe B de la Figure 4.
Les courbes A et B de la Figure 4 ont la même allure que celles obtenues par l'estai de traction.
n»m 10*^ 48.
Figure 4 : Relation entre déformation et pourcentage de consolidation d'un segment d'os long fracturé, sollicité en flexion dans un système simplement appuyé (A) et dans un système encastré (B).
49.
III. OS LONG FRACTURE FIXE PAR UN CLOU CENTROMEDULLAIRE SOLLICITE EN FLEXION.
Pour une sollicitation en flexion, le calcul de la défor
mation du clou, en regard du foyer de fracture, est possible au prix d'hypothèses simplificatrices :
- les trois éléments : os, cal, clou, présentent une symé
trie de révolution
- il existe une adhérence parfaite entre os, cal et clou (Figure 5).
Figure 5 : Os long fracturé fixé par un clou centromédullaire, sollicité en flexion.
50.
Si la jauge est collée sur la fibre la plus étirée du clou, on démontre que :
_ • A. • g
■ E2I2+
est donné par l'indication de la jauge extensométri- que.
Le diagramme de la Figure 6 est obtenu quand on rempla
ce les constantes de l'expression précédente par les va
leurs numériques du Tableau IX.
P = 1 kg I =10 mm
a = 4 mm
El = 0.18 lO"* kg/mm^
II = 18.800 mm'' E2 = 2.1 10" kg/mm^
I2 = 200 mm**
force de mise en charge
distance séparant la jauge de contrainte de la ligne d'ac
tion de P
distance séparant la jauge, collée sur le clou, de l'axe neutre du clou
module de Young de l'os moment d'inertie de l'os module de Young du clou moment d'inertie du clou module de Young du cal moment d'inertie du cal
Tableau IX ; Valeurs numériques permettant le calcul de la courbe de déformation du système os-cal-clou centromédullaire sollicité en flexion.
Les déformations calculées sont reprises dans le Tableau X.
(% Eili)
Exix
(% Eili) «'x
0 95 50 18.8
5 68 60 16.2
10 52.8 70 14.3
15 43 80 12.7
20 36.4 90 11.5
30 27.8 100 10.5
40 22.5 150 7.3
Tableau X : Déformations calculées d'un système os-cal clou centromédullaire sollicité en flexion
52.
Figure 6 ; Relation entre déformations et pourcentages de consolidation d'une fracture traitée par encloua- ge centromédullaire.
La courbe a la même allure que celles établies précédem
ment.
