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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:
Fabeck, L. (2003). Application de la biomécanique et de l'analyse cinématique de la hanche durant la marche à la théorie de la régression de
l'antéversion du col fémoral en croissance (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté de Médecine – Médecine, Bruxelles.
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Application de la biomécanique et de l’analyse cinématique de la hanche durant la marche à la théorie de la régression de
l’antéversion du col fémoral en croissance
ULB - Campus Erasme
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B- 1070 Bruxelles Tél.; 02/555.61.70
Faculté de Médecine
L. Fabeck
Dissertation Résumé du travail Titre de la thèse annexe Publications
Faculté de Médecine
Application de la biomécanique et de l’analyse cinématique de la hanche durant la marche à la théorie de la régression de
l’antéversion du col fémoral en croissance
L. Fabeck
Introduction
Chapitre 1: Morphologie du col fémoral 1.1 Notions d'anatomie
1.1.1 Description de la morphologie du col 1.1.2 Insertions ligamentaires et capsulaires 1.2 Architecture du fémur proximal
1.2.1 Introduction
1.2.2 Définitions des référentiels
1.2.3 Détermination des angles fémoraux 1.2.3.1 Axes extrinsèques
1.2.3.2 Axes intrinsèques 1.3 Valeur des angles
1.3.1 Angle cervico-diaphysaire 1.3.2 Angle trochantérien
1.3.3 Angle de déclinaison ou d'antéversion fémorale 1.3.3.1 Introduction
1.3.3.2 Angle d'antétorsion ou d'antéversion 1.3.3.3 Evolution de l'angle d'antéversion
1.3.3.4 Valeur de l'angle d'antéversion chez l'adulte 1.3.3.5 Méthodes de mesure
1.3.3.6 Variation de la valeur de l'angle d'antéversion du col selon la méthode de mesure
1.3.3.6.1 Variation de la définition de l'axe cervical 1.3.3.6.2 Variation du plan de référence
1.3.3.6.3 Relations entre les différents axes 1.4 Conclusions
Chapitre 2: Etude de la résultante des forces agissant sur la hanche 2.1 Introduction
2.2 Historique 2.3 Centre de gravité
2.3.1 Définition
2.3.2 Oscillation du centre de gravité au repos
2.3.3 Evolution du centre de gravité durant la marche 2.4 Sollicitations statiques de la tête fémorale en appui bipode
2.5 Sollicitations statiques de la tête fémorale lors de l'appui monopode 2.5.1 Introduction
2.5.2 Etude du moment du poids du corps 2.5.3 Détermination du vecteur musculaire
2.5.4 Etude du moment de force musculaire 2.5.5 Calcul de la résultante des forces 2.6 Antéversion fémorale et force statique
2.7 Etude des forces dynamiques appliquées à la hanche
2.7.1 Mouvement du centre de gravité et force résultante 2.7.2 Correction de l'analyse de Pauwels
2.7.3 Méthode expérimentale de la détermination de la résultante des forces 2.7.4 Etude par prothèses jaugées des forces agissant sur la hanche
2.8 Analyse des diverses études
2.8.1 Diversité des valeurs de la résultante 2.8.2 Confrontation des résultats
2.8.3 Force résultante et activité journalière 2.9 Transmission des charges à la tête fémorale
2.9.1 Etude des surfaces de contact fémoro-cotyloïdiennes 2.9.2 Répartition des pressions
2.10 Conclusions
Chapitre 3: Etude de la torsion du col fémoral 3.1 Introduction
3.2 Notion de résistance de matériaux
3.2.1 Moment d'ordre un d'un élément de surface 3.2.2 Moment d'ordre un d'une surface finie 3.2.3 Centre d'inertie d'une surface
3.2.4 Moment d'ordre deux ou moment d'inertie d'un élément de surface 3.2.5 Moment d'ordre deux ou moment d'inertie d'une surface finie 3.2.6 Produit d'inertie d'un élément de surface
3.2.7 Produit d'inertie d'une surface finie 3.2.8 Axes principaux
3.3 Analyse de l’aspect de torsion du col fémoral 3.3.1 Matériel et méthode
3.3.1.1 Acquisition de l'image 3.3.1.2 Traitement de l'image 3.3.1.3 Traitement informatique 3.3.1.4 Sélection des images 3.3.2 Résultats
3.3.3 Interprétation des résultats 3.4 Plan intrinsèque
3.5 Axe et plan mécaniques corticaux 3.5.1 Introduction
3.5.2 Matériel et méthode 3.5.3 Résultats
3.5.4 Discussion
3.5.5 Tissu osseux spongieux 3.6 Conclusion
4.1 Introduction
4.2 Matériel et méthode 4.3 Résultats
4.4 Discussion 4.5 Conclusion
Chapitre 5: Régression de l'antéversion de la plaque épiphysaire du col fémoral durant la croissance. Analyse théorique.
5.1 Introduction
5.1.1 Définition des angles
5.1.2 Orientation instantanée de la plaque épiphysaire
5.1.3 Orientation instantanée et valeur de la résultante des forces.
5.2 Résultats 5.3 Discussion
5.3.1 Valeur de l'antéversion vraie en fin de croissance
5.3.2 Evolution de la diminution de l'antéversion de la plaque avec la croissance 5.4 Morphologie de l'extrémité proximale du fémur
5.5 Liaison entre l'inclinaison et l'antéversion.
5.5.1 Introduction
5.5.2 Matériel et méthode 5.5.3 Résultaty
5.5.4 Discussion 5.6 Conclusion
Chapitre 6: Influence de la variation de direction de la résultante des forces
sur les contraintes du cartilage de croissance capital. Approches théorique et clinique
6.1 Introduction
6.2 Matériel et méthode
6.2.1 Modèle par éléments finis 6.2.2 Distribution de la charge
6.2.3 Orientation de la force résultante et caractéristiques de l’os spongieux et cortical 6.3 Résultat
6.4 Discussion 6.5 Conclusion
6.6 Application des éléments finis à l'analyse de la régression de l'antéversion du col fémoral
6.7 Transposition de la théorie à l’échelle cellulaire
Chapitre 7: Etude cinématique de l’antéversion du col fémoral 7.1 Introduction
7.2 Etude des mouvements du fémur durant la marche 7.2.1 Modélisation de la hanche
7.4 Application des modèles par éléments finis à l'étude de l'antéversion du col fémoral 7.5 Relation entre l'antéversion de la plaque épiphysaire et du col fémoral
7.6 Confrontation avec les données de la littérature
Chapitre 8: Contribution à la définition de l'anatomie, l'antéversion et l'axe mécanique du col fémoral. Confrontation des différentes études
8.1 Introduction
8.2 Antéversion vraie et projetée
8.3 Application des définitions à la théorie de la régression de l'antéversion du col 8.3.1 Antéversion vraie du col
8.3.2 Antéversions vraies du col et du cartilage de croissance 8.4 Définition de l'axe cervical
8.4.1 Introduction 8.4.2 Le calcar fémoral 8.4.3 Matériel et méthode
Mesure de l'antéversion de l'axe antérieur du col Mesure de l'antéversion de l'axe central du col Mesure de l'antéversion de l'axe calcar-tête 8.4.4 Résultat
8.4.5 Discussion
8.4.6 Détermination de l'axe calcar-col
8.4.7 Axe calcar-col et centre de la tête fémorale 8.5 Conclusion
Bibliographie Annexe 1 Glossaire
logique d'organisation de mécanismes complexes qui nous échappe en grande partie. On ne peut prétendre expliquer toutes les constatations anatomiques ou expérimentales observées au niveau de l'os. Chaque étude doit être l'objet d'une phase d'observation, de réflexion et d'interprétation des faits avec un risque d'erreur parfois majeur.
Pour comprendre la morphologie de l'extrémité supérieure du fémur, sa relation avec son environnement mécanique, les rapports qu'a le col avec la tête et le fût fémoral doivent être connus. Ceci présuppose une définition des référentiels.
La forme globale de l'os est indissociable des sollicitations mécaniques qui lui sont imposées.
Selon Pauwels ( 1979), elle s'adapte de façon à minimiser les sollicitations en flexion. Nous avons noté que la plupart des études biomécaniques récentes de l'extrémité supérieure du fémur n'abordent l'analyse des forces transmises à la hanche que dans le plan frontal. Nous nous intéressons surtout au plan transversal, motivé par le désir de comprendre comment les forces dynamiques agissent sur le col fémoral et celui d’analyser la manière dont l'os y adapte son architecture. Il serait plus judicieux de parler de mécanique des formes, puisque c'est à partir de ces dernières que nous tenterons de comprendre le rôle qu'ont joué les forces dynamiques sur ce modelage.
Buts spécifiques
Le premier chapitre définit les différentes manières de mesurer l'antéversion du col fémoral. Le second aborde l'étude des forces appliquées sur la hanche et de leur direction lors de la marche.
Le résumé de nos études débute au chapitre 3. Les chapitres 3 et 4 sont consacrés respectivement à l'analyse morphologique de la torsion du col fémoral et aux rapports relatifs des axes du col et de la plaque de croissance. Le chapitre 5 ainsi introduit est réalisé en collaboration avec un ingénieur de l’Université Libre de Bruxelles et est consacré à l'orientation de la plaque de croissance et à ses relations avec la sollicitation mécanique de la hanche, durant la marche chez l'adolescent. Nos constatations nous amèneront à proposer une théorie sur la régression de l'antéversion du col fémoral durant la croissance.
Le chapitre 6, réalisé en collaboration avec les ingénieurs de la "Technische Universiteit Eindhoven" permet de vérifier notre hypothèse. Il concerne toujours la plaque de croissance et étudie les différents types de contraintes engendrées par la marche au sein de celle-ci.
Durant la marche, l'orientation de la résultante des forces varie peu dans le plan frontal, avoisinant une inclinaison de 16° sur la verticale. Elle présente une large amplitude dans le plan transversal, de plus de 40°, entre le début et la fin du cycle du pas. Nous comparons cette variation à eelle de l'orientation du col fémoral dans le plan transversal durant la marche. En fin de ce chapitre 7, les conclusions nous feront revoir la définition anatomique et mécanique de l'axe du col fémoral.
Le chapitre 8, synthèse du travail, devrait permettre de définir de façon cohérente le col fémoral, d'en donner les limites anatomiques et les caractéristiques biomécaniques.
Chapitre 1: Morphologie du col fémoral
1.1 Notions d'anatomie
1.1.1 Description de la morphologie du col
A l'heure des études biomécaniques par éléments finis, la cormaissance de l'anatomie et de la morphologie d'une structure est plus que jamais la base de toutes investigations. Pour Rouvière (1982), l'extrémité supérieure du fémur comprend:
une saillie articulaire, la tête du fémur;
deux saillies rugueuses, les grand et petit trochanters;
un segment cylindroïde, le col, réunissant la tête au trochanter et au corps fémoral, au niveau de la ligne intertrochantérienne.
Le col fémoral est obliquement dirigé de haut en bas et de dedans en dehors, son grand axe formant un angle d'environ 130° avec celui de la diaphyse fémorale. Le col du fémur a la forme d'un cylindre aplati d'avant en arrière, rétréci en dedans et élargi en dehors. On décrit deux faces, antérieure et postérieure, deux bords et deux extrémités (fig. 1-1). La face antérieure, à peu près plane, regarde en avant et très légèrement en bas. Elle présente très souvent, à sa partie supéro- inteme, à la jonction avec la surface articulaire, une surface irrégulière, en relief sur la face antérieure du col, bordée le plus souvent, en dehors, par une crête. Cette surface serait
"l'empreinte iliaque" et résulterait de la pression exercée en ce point, dans la position assise, par le bourrelet cotyloïdien de l'articulation (Rouvière, 1982).
Figure 1-1 : fémur droit; vue antérieure (a) et postérieure (b) de l'extrémité proximale, T: grand trochanter, t: petit trochanter; L: ligne intertrochantérienne, E:
empreinte iliaque
La face postérieure du col est convexe de haut en bas, et concave transversalement. Elle a une orientation inverse de celle de la face antérieure, et regarde en arrière et légèrement en haut.
Le bord supérieur est légèrement concave et s'étend de la tête au grand trochanter; le bord inférieur, également concave est plus long et se porte obliquement de haut en bas et de dedans en dehors (fig. 1-lb). L'extrémité médiale répond aux contours de la tête fémorale, l'extrémité latérale s'unit aux trochanters. Nous ferons souvent référence aux termes médial et latéral au cours de ce travail, le premier correspondant à une position centrale par rapport à l’individu, le second à une position externe.
1.1.2 Insertions ligamentaires et capsulaires
L'insertion de la capsule articulaire se fait autour du col, en avant sur la ligne intertrochantérienne, en arrière sur la face postérieure du col, suivant une ligne passant à l'union du tiers externe et des deux tiers internes de cette face. La capsule n'est que faiblement unie à la face postérieure du col.
En haut et en bas, elle s'attache sur le col suivant une ligne joignant les extrémités des lignes d'insertion antérieure et postérieure. En bas, la ligne d'attache de la capsule passe à 1,5 cm environ en avant et au-dessus du petit trochanter.
Toutes les fibres de la capsule ne s'attachent pas au fémur le long de la ligne d'insertion; les faisceaux les plus profonds se réfléchissent sur le col, et remontent jusqu'au pourtom de la surface articulaire. Ces faisceaux récurrents forment avec la synoviale, qu'ils soulèvent, des replis appelés
"frenula capsulae". La capsule articulaire est épaissie en avant, en dedans et en arrière par trois bandes ligamentaires ou faisceaux de renforcement connus sous les noms de ligaments iliofémoral (ou de Bertin avec ses faisceaux ilio-prétrochantérien et ilio-prétrochantinien), pubofémoral et ischiofémoral.
Cette description anatomique montre que deux tiers du col sont dépourvus d'attaches ligamentaire ou musculaire. Cette situation, propice à l'étude biomécanique, permet d'exclure tout rôle musculaire direct sur la forme de la structure. Cette zone présente également la particularité de ne pas être couverte de périoste, puisque intracapsulaire (Sherman et al., 1947).
1.2 Architecture du fémur proximal 1.2.1 Introduction
Les écrits de Galilée (1638) relatifs à la résistance des matériaux, abordent la notion de résistance de l'os en charge. Cette étude connaîtra son essor avec Ward (1838), Wyman (1850), Haughton (1864), Meyer (1867), Wolff (1892), Roux (1895), Koch (1917), Pauwels (1935). Tous concluent que l'os adopte une forme en relation avec sa fonction. Ainsi, les variations d'angles cervico- diaphysaire et d'antétorsion ont été sujettes à différentes interprétations biomécaniques dans des conditions normales et pathologiques. Pour certains (Pauwels, 1979), les changements de forme de l'os sont dus à une adaptation aux forces extérieures, alors que pour d'autres, il s'agit d'une défaillance due à ces mêmes forces (Walmsley, 1914a et b; Storck, 1943; Frankel, 1960).
La tête fémorale n'est pas une sphère parfaite mais est légèrement comprimée d'avant en arrière, avec une différence entre le grand et le petit axe de l'ordre de 0,46 à 1,4 mm de longueur (Bullough et al., 1968; Cathcart, 1972; Blowers et al., 1972; Rushfeldt et al., 1979). A la naissance, le col fémoral a une surface de section cylindrique sur toute sa longueur. Sa morphologie change ensuite. A la jonction céphalique, sa section reste quasi cylindrique mais
devient progressivement elliptique vers le grand trochanter avec la croissance (Bourgery,1832;
Wyman, 1850). Il adopte sa forme définitive à l'adolescence. Backmann (1957) mesure sur 27 fémurs l'évolution des dimensions des axes des ellipses formées par la tranche de section du col.
Dans la portion latérale, le rapport est de 45 à 27,2 mm (1,65), dans la partie moyenne, de 36,9 à 32 mm (1,15) et dans la partie médiale, de 49,4 à 48,6 mm (1,01). La portion médiale se rapproche du cercle. Le grand axe de l’ellipse ne se trouve pas dans le plan défini par l'axe du fût fémoral et l'axe cervical. 11 s'incline vers le bas et l'arrière par rapport à ce plan (Backman, 1957).
1.2.2 Défînitions des référentiels
Avant d'aborder l'étude des angles caractérisant l'extrémité proximale du fémur, nous nous devons de préciser les référentiels auxquels nous ferons appel. Nous définissons un système d'axes propres au fémur et un système se rapportant au sujet debout.
Billing (1954) décrit un référentiel du fémur. Le plan frontal comprend l'axe condylien, que nous définirons, et l'axe idéal du fémur passant par le point O, intersection de l'axe cervical et l'axe diaphysaire, et le point K, situé à mi hauteur des condyles. Les figures l-2a et l-2b illustrent les différents axes et angles définis par Billing. 11 est à noter qu’il nomme le centre de la tête H. Tout au long de ce travail, la lettre caractérisant le centre de la tête fémorale variera par souci de conserver les dénominations originales données par les différents auteurs et pourra dès lors se noter C, O ou H.
Figure 1-2 a: axes et plans fémoraux; ODK: "axe" diaphysaire; OK; axe idéal; u; angle d'antéversion relative lu dans la plan transverse; P: amgle d'antéversion vraie entre le plan frontal et l'axe cervical; p; complément de l'angle cervico- diaphysaire lu dans le plan d'antéversion OKC; a: complément de la projection de l'angle cervico-diaphysaire dans le plan frontal (Billing, 1954)
c
B
Figure l-2b: agrandissement du fémur proximal; H: centre de la tête
Le plan frontal diffère de 1,8° du plan passant par le bord postérieur des 2 condyles et le tubercule trochantérien défini comme plan fémoral frontal par Backman (1957, fig. 1-3). Ce plan sert souvent de référence pour les études morphométriques (Kingsley et al., 1948; Murphy, 1987) et correspond au plan d'appui du fémur posé sur un plan horizontal. L'axe mécanique du fémur, défini par Mari que (1945) comme l'axe passant par le centre de la tête fémorale et le sommet de l'échancrure intercondylierme, est en avant de ces plans.
Figure 1-3: définition des axes de la diaphyse; OK: axe idéal; a: angle entre l’axe idéal et la première portion rectiligne la diaphyse; y: angle formé entre l’axe idéal et un plan défini par trois points d’appui fémoraux (Backman, 1957)
Le plan sagittal fémoral comprend les axes diaphysaire ODK et idéal OK; le point D étant situé au centre du fût fémoral et au sommet de sa courbure. Le plan transverse fémoral est perpendiculaire à l'axe idéal.
Le plan frontal du patient debout est perpendiculaire au sol et passe par le centre des deux têtes fémorales. Le plan transverse passe par ces deux centres et est parallèle au sol. Le plan sagittal est perpendiculaire à ces plans et passe par le milieu de l'axe joignant le centre des deux têtes fémorales. Ce sont les plans de référence pour les mesures par scanner: le patient est en position couchée et on peut considérer que les plans effectuent une rotation de 90° autour de l'axe
bicéphalique. Nous constatons déjà que le référentiel dans lequel nous travaillons est important à définir car sa méconnaissance peut amener à de la confusion dans l’interprétation des résultats. Il y aura lieu de préciser quel référentiel est concerné lors des différentes études présentées tout au long de ce travail.
1.2.3 Détermination des angles fémoraux
Pour comprendre la structure du col fémoral et sa relation aux forces appliquées, la manière de déterminer l'angle qu'il forme avec le fut fémoral doit être connue. Cette étude serait simple si la plus grande confusion ne régnait dans la littérature quant à la détermination de ces angles. Nous avons relevé les différentes manières de décrire l'axe cervical.
1.2.3.1 Axes extrinsèques
Nous nous référons pour débuter à l'approche de Billing (1954), travail faisant référence dans la littérature (Backman, 1957; Rydell, 1966; Henriksson, 1980; Murphy, 1987; fig. l-2b).
La ligne OH représente l'axe cervical, sans que Billing (1954) précise ses coordonnées si ce n'est qu'il le situe au centre du col (fig. l-2b). Backman (1957) tente une "définition" en précisant qu'il passe proximalement par le centre de la tête (H), qu'il se situe au "centre du col" et suit la direction de ce dernier. Le point O, extrémité latérale de l'axe cervical pour ces auteurs, est défini comme le point d'intersection des axes cervical et diaphysaire. Il se situe au centre de la diaphyse à sa jonction avec le col fémoral. Notons l'imprécision de ces définitions empiriques et la difficulté d'individualiser ce point O sur pièce anatomique. Le point O appartient à
”l'axe” diaphysaire ODK composé des axes OD et DK (fig. l-2a). Les droites OD et DK forment entre elles un angle ouvert postérieurement. Comme cette forme géométrique semble complexe à définir, Billing (1954) introduit la notion "d'axe idéal OK", droite joignant le point O et le point K. Nous avons relevé l'imprécision dans la localisation du point O. Il en est de même pour le point K que Billing définit comme l'extrémité distale de l'axe OK entre les 2 condyles. Pour Backman (1957), le point K se situe, de profil, dans le plan vertical passant par les deux points d'appui postérieur des condyles d'un fémur posé sur une table. L'axe condylien passant par ce point K est perpendiculaire au plan formé par l'axe idéal et diaphysaire et est parallèle aux extrémités postérieures des deux condyles.
Backman (1957) définit de deux manières l'angle cervico-diaphysaire formé par le col et le fut fémoral. La première comme définie par Billing (1954): angle formé par l'axe cervical passant par les points OHC et l'axe idéal par les points AOK, A et C étant les points d'intersection de ces différents axes avec un plan transverse au fémur. Pour la seconde, il définit l'axe cervical OH et l'axe de l'extrémité proximale du fémur OD (fig. l-2a et b). Cet angle est légèrement inférieur à l'angle formé par l'axe cervical et l'axe idéal; il dépend de l'importance de la courbure du fût diaphysaire dans le plan sagittal.
L'axe cervical OH est dirigé, habituellement, vers l'avant par rapport au plan frontal ABK et forme, avec celui-ci, un angle P (fig. 1 -2a et b). Le plan formé par l'axe idéal fémoral et l'axe cervical (plan KOC) est appelé plan d'antétorsion ou d'antéversion (Billing, 1954; Backman, 1957). L'évaluation de l'antétorsion ou antéversion cervicale peut également être faite dans le plan
transverse ABC. Cette nuance est importante car il s’agit d’un plan parallèle au plan standard utilisé pour les coupes par CT scan. L'angle d'antéversion est compris entre les axes formés par l'intersection du plan transverse avec, d'une part, le plan frontal du fémur et, d'autre part, le plan d'antétorsion KOC. Il s'agit de l'angle u (fig. l-2a et b). Il diffère de l'angle P car il n'appartient pas au même plan. Cet angle est en moyenne de 14°, mais les variations peuvent être grandes (Backman, 1957).
1.2.3.2 Axes intrinsèques
La surface de section du col passe pour être elliptique. En 1895, Lehmann, suivi par Strasser (1917), décrit une rotation du col de 19,5° de moyenne autour d'un axe cervical. Cette inclinaison du grand axe de l'ellipse conduira Backman (1957) à définir le plan d'inclinaison du col fémoral, ou plan principal, passant par l'axe cervical et le grand axe de l'ellipse formée par la section du col (fig. 1 -4). L'intersection du plan principal et du fût fémoral se fait à la hauteur du petit trochanter.
Ce plan forme un angle approximatif de 15° avec le plan d'antéversion du col, comprenant les axes cervical et idéal. Les plans principal et d'antéversion sont sans rapport puisqu'il s'agit d'entités différentes.
Figure 1-4; fémur droit; lorsque le col fémoral est sectionné à sa base perpendiculairement à l'axe cervical, il apparaît une surface de section elliptique dont le grand axe i est incliné par rapport au plan d'antéversion KOC représenté à la figure 1 -2a
1.3 Valeur des angles
1.3.1 Angle cervico-diaphysaire
Outre les variations individuelles, l'angle cervico-diaphysaire ou d'inclinaison du col fémoral varie au cours de la vie. Boening ( 1942) reconstruit à la cire des fémurs cartilagineux de 10 foetus examinés au cours des deux premiers mois de vie intra-utérine et constate que l'angle se ferme graduellement, passant de 162 à 92° (angle atteint chez le foetus de deux mois). Cette position extrême, en coxa-vara, s'observe jusqu'au début de la période d'ossification. Vers le quatrième mois de la vie intra-utérine, l'angle vaut 120 à 124°. Cette constatation diffère de celle de Walker et al. (1981) qui observent peu de variation de l’angle d’inclinaison à partir d’une étude de 140 fœtus de 12 à 42 semaines. A la naissance, sa valeur varie de 130 à 150° selon les auteurs (Van Neck, 1910; Pick et al., 1941; Billing, 1954; Henriksson, 1980).
L'angle cervico-diaphysaire évolue avec la croissance. Partant d'une valeur moyenne de 150°, il atteint 140° à l'âge de 18 mois et, chez l'adulte, une valeur de 130° (Billing, 1954). Cette progression peut être perturbée par des conditions pathologiques. Ainsi Walmsley (1914a, b) soutient que l'angle cervico-diaphysaire reste important si le fémur n'est soumis à aucune charge durant la croissance. Il évoque l'hypothèse d'une faiblesse de la matière sous charge qui amène le col en varus relatif. Storck (1943) note qu'en cas de paralysie des abducteurs, le col fémoral maintient une position plus valgisée.
La valeur de l'angle à l'âge adulte varie selon les auteurs. Strasser (1917) propose une fourchette de 120à 135° chez l'homme (moyenne de 130°) et de 112à 125° (moyenne 120°) chez la femme.
Von Lanz et al. (1938) rapportent une moyenne de 125 à 126°, sans différence entre les sexes.
Pour Harty (1957), l'angle cervico-diaphysaire est compris entre 110 et 145°. Il est plus petit chez la femme. L'angle cervico-diaphysaire pourrait diminuer durant toute la vie (Von Lanz et al., 1938; Harty, 1957).
1.3.2 Angle trochantérien
Van Neck (1910) décrit l'angle trochantérien. En regardant le fémur dans un axe céphalo-caudal, on constate que l'axe du col coupe asymétriquement le grand trochanter, laissant la majeure partie de cette tubérosité en arrière. Van Neck assimile le massif trochantérien à un cube dont les faces antérieure et externe sont délimitables et dont les faces interne et postérieure donnent naissance au col (fig. 1 -5). Il se base sur la configuration antérieure du grand trochanter pour déterminer l'angle trochantérien. L'axe "transversal" du cube, parallèle à sa face antérieure et prolongé en dedans, forme avec l'axe du col, passant par les centres du col et de la tête fémorale, l'angle trochantérien.
Sa valeur moyenne est de 22° chez l'adulte.
Figure 1-5: angle trochantérien de Van Neck (1910) d'un fémur droit vu dans le plan transverse; A et E: face antérieure et externe du "cube trochantérien"; l'axe b est parallèle au bord antérieur A, et représente l'axe trochantérien; c: axe cervical 1.3.3 Angle de déclinaison ou d'antéversion fémorale
1.3.3.1 Introduction
II faut définir en premier lieu le plan frontal auquel nous allons faire référence. Observons un fémur sec, déposé sur un plan horizontal: il prend appui, par les pôles postérieurs de ses condyles externe et interne et, par un troisième point, situé sur la face postérieure du grand trochanter, constitué par un petit tubercule sur lequel s'insère, en partie, le carré crural. Ainsi se trouve défini le plan frontal de référence rétro-condylo-trochantérien utilisé par Backman (1957) qui
correspond grossièrement au plan frontal du fémur défini par Billing (1954), puisqu'ils ne présentent entre eux qu'un angle moyen de 1,8°, en vue sagittale (fig. 1-3; Backman, 1957). La tête fémorale fait saillie en avant de ce plan.
1.3.3.2 Angle d'antétorsion ou d'antéversion
S’il est parfois appelé angle de déclinaison (Pick et al., 1941), une confusion règne quant à la définition de l'angle d'anté-version ou -torsion (Backman, 1957; Kate, 1976; Ruby et al., 1979;
Murphy, 1987). Billing (1954) définit ces deux termes. La torsion désigne ici l’architecture de la diaphyse alors que le terme version représente une orientation vers l'avant ou l'arrière du col par rapport à la région trochantérienne. Il définit un troisième caractéristique, l'anté- ou la rétro- flexion pour exprimer une courbure au niveau même du col. Pour Backman ( 1957), seul le terme de torsion devrait être employé, au niveau diaphysaire et cervical.
Le phénomène de torsion fémoral a été illustré par Egund et al. (1984) qui offrent l'opportunité d'analyser la torsion et la translation du fémur, non plus seulement à partir de plans pré-définis mais autour de l'axe mécanique défini comme joignant le centre de la tête à celui des condyles. Ils réalisent des coupes scanner perpendiculairement à cet axe et utilisent un système de coordonnées, permettant de localiser à chaque niveau de coupe, le centre de la diaphyse fémorale par rapport au point de percée de l'axe mécanique fémoral pré-défini. Ils mesurent la distance entre ces deux points ainsi que l'angle que forme la droite les joignant avec le plan contenant l'axe mécanique et parallèle à la droite joignant les points les plus postérieurs des condyles. Ils illustrent ainsi, par la variation de cet angle, la progression de la rotation du fémur autour de son axe mécanique. La figure 1-6 illustre le mouvement global de torsion.
Figure 1-6: rotation du fémur autour de l'axe mécanique (Egund et al., 1984)
Kate (1976) apporte un autre concept: le terme de "torsion" devrait être réservé vmiquement à la rotation du col autour de son axe propre (axe cervical). Ainsi, le fémur présente deux torsions;
l'une autour de son fût, l'autre autour de son col. Peu de publications font référence à ce dernier.
En 1920, Grunewald suppose un mouvement de torsion à partir de l'observation d'irrégularités hélicoïdales à la surface supérieure du col fémoral. Il attribue une cause musculaire à dette torsion. L'angle de torsion du col est constant dans les deux sexes, et équivaut à plus ou moins 30°.
En pratique, dans nos études du col fémoral, nous ferons référence à l'angle d'antéversion cervicale lorsque nous analyserons l'orientation vers l'avant du col par rapport au plan frontal et de torsion cervicale lorsque nous parlerons de la déformation du col le long de son axe. Nous ajouterons pour l'antéversion 1e terme de vraie ou relative.
Le premier désigne l'angle entre l'axe cervical et le plan frontal (fig. 1 -2b, angle P) et le second l'angle lu dans le plan transverse et formé entre le plan d’antéversion et le plan frontal (fig l-2b, angle u). Nous serons amené dans la suite de l'étude à réintroduire de nouveaux angles au niveau du col fémoral; leurs descriptions dans ce chapitre seraient prématurées.
1.3.3.3 Evolution de l'angle d'antéversion
L'antéversion du col fémoral est physiologique, nécessaire au bon déroulement du pas (Cahuzac, 1991) et serait une adaptation génétique à la position debout (Altman, 1925; Dega, 1933;
Badgley, 1943). L'excès ou le défaut d'antéversion modifie la marche et la morphologie des membres inférieurs chez l'enfant.
L'antéversion fémorale apparaît pend2int la vie foetale et augmente jusqu'à la naissance lorsque les membres inférieurs se fléchissent pour s'adapter au moule utérin. Durant la première partie de la grossesse, l'antéversion est de 0°. A la naissance, la version du col fémoral par rapport au fût est de 30 à 50° (Le Damany, 1903; Walker et al., 1981 ). L'augmentation de l'antéversion durant la vie intra-utérine puis sa réduction après la naissance ont été sujettes à des interprétations génétiques et mécaniques. L'antéversion marquée est attribuée à la flexion aiguë de la hanche durant la seconde partie de la grossesse. Il s'agirait d'une adaptation au volume de la cavité utérine. La pression des muscles utérins contre la jambe produit une force en rotation interne sur le fût fémoral causant l'antéversion du col fémoral. Le Damany base ses constatations sur l'expérience animale. Graf (1909) réalise des études sur le fœtus et doute de cette explication. Il note que chez les jumeaux, il n'y a pas d'augmentation de l'antéversion, ce qui, pour lui, est la preuve du non- fondé de la théorie de Le Damany. Cependant cette dernière, déjà défendue par Von Friedlànder en 1901, sera remise à jour par Brandt (1928), Backman (1957) et Watanabe (1974) qui lient l'antéversion à la rotation du fémur durant la vie foetale.
A la naissance, l'antéversion est de 35 ± 5° et diminue jusqu'à la fin de la croissance (Fabry et al., 1973; Ruby et al, 1979; Murphy et al., 1987). Après la naissance, des facteurs extrinsèques, comme les muscles et les tensions capsulaires résultant du mouvement ou de la gravité, rectifieraient partiellement l'antéversion jusqu'à une valeur de 15° à 30° (Campbell, 1940). A l'âge adulte, l'antéversion fémorale est de l’ordre de 10° à 15°. L'évolution n'est pas uniforme; elle est rapide entre 0 et 3 ans et entre 13 et 16 ans (Bedouelle, 1982). Ce schéma est variable selon les auteurs (fig. 1-7; Rogers, 1934; VonLanzetal., 1951,Dunlapet al., 1953; Billing, 1954;Fabryet al., 1973) mais la majorité de la correction serait faite à 5 ans pour Aktas et al. (2000) et 8 ans pour Fabry et al. (1973).
Le contrôle de l'évolution de l'antéversion est multifactoriel avec une influence prépondérante des facteurs mécaniques (Cahuzac, 1991). La réduction de l'antéversion durant la croissance serait due, selon Morscher (1967), à l'action des muscles rotateurs internes lors de la marche, et des
forces dynamiques (muscles, poids) modifiant la torsion des os longs en agissant sur le cartilage de croissance. Il s'agit là d'une observation clinique. A l'inverse, une hypertonie musculaire limite la régression naturelle de l'antéversion et du valgus cervico-diaphysaire (Fabry et al., 1973;
Terjesen et al., 1982; Miller et al., 1999; Aktas et al., 2000). Cette situation est retrouvée de façon asymétrique dans le cas d’enfant présentant des hémiplégies (Staheli et al., 1968).
Antéversi on --- Rogers ( 1931 ), 94 sujets
Figure 1-7: évolution de l'angle d'antéversion avec la croissance selon divers auteurs Frankel (1960) utilise des tests de charge verticale au niveau fémoral, et montre que la région la plus comprimée est la portion postérieure du col et du fémur. Il explique ainsi la diminution de l'antéversion mais ne donne pas la raison de la valeur moyenne finale de celle-ci. Le degré d'antéversion varie également en fonction de la race (Hoaglund et al., 1980). Le facteur génétique joue un rôle de par l'aspect familial de la morphologie des membres inférieurs (Cahuzac, 1991).
1.3.3.4 Valeur de l'angle d'antéversion chez l'adulte
La définition de l’angle d’antéversion par Billing (1954) est peu applicable à l’étude de la pièce osseuse, la radiographie ou l’image digitalisée. Sa mesure est sujette à caution de par la méthodologie. La littérature foisonne de différences dans l'estimation de la valeur de l'antéversion du col fémoral, dues à la non concordance des définitions (tab. 1-1). Pour Testut (1896), la variation est de 2 à 38°. Van Neck (1910) mesure l'antéversion sur pièces osseuses: le fémur est placé sur une table, une branche du compas est placée parallèlement à celle-ci, et l'autre parallèlement au col. Il détermine un angle moyen de 15°. Campbell (1940) l'évalue à environ 25°. Dans leur étude portant sur 630 fémurs, Kingsley et al. (1948) déterminent une valeur moyenne de 8° avec des valeurs extrêmes de -20° et 38° mis à part une antéversion de 64° chez un enfant à la naissance. Dunlap et al. (1953) sur 1524 fémurs, déterminent une antéversion moyerme de 8,7°. Pour Backman (1957), l'angle d'antéversion varie entre -13° à 33° (moyenne 14°) alors que la fourchette se situe entre 10° et 34° pour Moulton et al. (1982). Hoiseth et al.
(1988) notent une valeur moyenne de 15°. Le tableau 1-1 reprend les valeurs d’études dont l’effectif observé est connu.
Tableau 1-1: valeur de l'antéversion fémorale selon différentes études;
n: nombre de sujets; antév: antéversion en degré
Auteur N Antév. (°) Année
Van Neck 15 15 1910
Parsons 98 15,5 1914
Durham 200 11,9 1915
Pick et al. 152 14 1941
Kingsley et al. 630 8 1948
Dunlap et al. 1524 8,7 1953
Backman 29 14 1957
Kate 1000 12 1976
Hoaglund 143 8 1980
Moulton et al. 102 15 1982
Reikeras et al. 48 10 1982 b
Morvan 35 11,7 1987
Yoshioka 32 7,4 1987a, b
Hoiseth et al. 20 10,9 1989 a
Wedge et al. 20 12 1989
Starker et al. 45 15,5 1998
La rétroversion est présente (étude à partir de 1.000 fémurs) dans 7% des cas, deux fois plus fréquente chez l'homme mais significativement plus élevée chez la femme (Kate, 1976).
Hoaglund et al. (1980) déterminent une antéversion moyenne de 7° chez l'homme caucasien contre 10° chez la femme. Ces mêmes auteurs montre une valeur plus importante chez les individus chinois avec des valeurs de 14° et 16° respectivement chez les hommes et les femmes.
La valeur plus élevée chez la femme est en accord avec le conclusions de Pick et al. (1941).
Yoshioka et al. (1987a et b) ne montrent pas de différence entre les sexes. S'il n'y a pas de différence entre les côtés controlatéraux pour Egund et al. (1984), celle-ci est objectivée par Yoshioka et al. (1987a), alors que pour Kate (1976), il existe une légère différence non significative au profit du côté droit. Il détermine également que le degré de version est indépendant de l'angle cervico-diaphysaire.
1.3.3.5 Méthodes de mesure
Plusieurs méthodes ont été décrites pour mesurer l'antéversion du col fémoral. Kingsley et al.
(1948) proposent une technique sur pièce osseuse, dans un plan parallèle à l'axe du col et perpendiculaire au plan frontal, fémur posé sur un plan. Un pied portant une jauge est incliné pour être perpendiculaire à l'axe supposé du col. La jauge est descendue le long du pied et placée en contact avec les bords antérieur puis postérieur du col à sa jonction céphalique et trochantérienne.
Sa position est chaque fois notée sur le pied gradué et moyennée pour chacune des extrémités. Les deux moyermes de hauteur obtenues permettent de définir deux points centraux du col. L'axe passant par ces deux points est l'axe cervical (fig. 1-8). Ils utilisent un goniomètre pour mesurer l'angle que fait la droite joignant les deux points centraux prédéterminés avec le plan horizontal.
Cette technique sera appliquée par Dunlap et al. (1953) à la mesure radiologique.
L'antéversion peut être mesurée sur pièce osseuse non plus à partir de l'axe cervical déterminé par les deux repères mais à partir d'un axe passant distalement par le col et par le centre de la tête fémorale (Pearson et al., 1919; cités par Kingsley). En clinique, de nombreuses méthodes radiographiques ou radioscopiques ont été décrites pour la mesure de cet angle (Dunn, 1952;
Dunlap et al., 1953; Magilligan, 1956; Budin et al., 1957; Millier, 1957; Brocas et al., 1961;
Lefèvre et al., 1961; Lequesne et al., 1961, 1964; de Sèze et al., 1962; Virenque et al., 1963;
Scholder, 1967; Serre et al., 1968; Ogataetal., 1979; Rubyetal., 1979; Bedouelle, 1982; Herrlin et al., 1983; Proubasta et al., 1984; Clarac et al, 1985; Morvan et al., 1987; Wedge et al, 1989;
Lee et al., 1992). La multiplicité des méthodes proposées reflète la complexité et la difficulté du problème.
La tomographie digitalisée tend maintenant à remplacer ces méthodes radiologiques (Weiner, 1978; Peterson, 1981; Reikeras, 1982a et 1983; Mahboubi et al., 1986; Murphy, 1987;
Mesgarzadeh et al., 1987; Sugano et al., 1998). Plusieurs axes sont définissables en fonction du niveau de la coupe et des points de repère choisis. Cette technique n'est pas plus précise que les autres. Miller et al. (1993) montrent une erreur entre observateurs de 5,9° avec la technique de Kingsley et al. (1948) contre une erreur de 6,7° par mesure scanner. Des différences similaires sont retrouvées par Hoiseth et al. (1989 a, b). Miller et al. (1993) mettent en évidence une corrélation de r=0,84 entre les mesures scanner et la méthode de Kingsley et al. Certains utilisent l'échographie pour la mesure de l'antéversion fémorale (Phillips, 1985; Upadhyay et al., 1987;
Lautsen et al., 1989; Miller et al., 1993). La fiabilité de cette technique qui se base sur le relief externe de la face antérieure de l'os est cependant mise en doute. Elle majorerait de 10° la mesure faite par scanner (Miller et al., 1993). D’autres ont recours à la résonance magnétique nucléaire chez l’enfant, moins irradiante que le scanner et donnant des valeurs angulaires similaires (Tomczak étal., 1997).
Outre les divergences possibles dans la méthode de détermination de l'antéversion, il apparaît que la plus grande imprécision ressort de sa définition même. Déjà dans la définition de Billing (1954), nous avions relevé l'imprécision de la localisation de l'intersection des axes cervical et fémoral. La technique de mesure par scanner n'est pas exempte, non plus, de critiques. La forme du col, éloignée de celle du cylindre, et son inclinaison, rendent très variable l'estimation de
Figure 1-8: détermination de l'antéversion (Kingsley et al., 1948)
l'orientation dans le plan transverse. Nous déterminons plus précisément ce risque d'erreur dans un chapitre ultérieur. D'autre part, le scanner, recréant l’image d’une coupe transverse du patient, permet la mesure de l'antéversion de la projection de l'axe cervical dans ce plan, c’est à dire l’antéversion relative, et non celle de l'axe par rapport au plan frontal.
1.3.3.6 Variation de la valeur de l'angle d'antéversion du col selon la méthode de mesure 1.3.3.6.1 Variation de la définition de l'axe cervical
Le plan du col fémoral peut se définir par l'axe diaphysaire et l'axe du col fémoral (Billing, 1954;
Chevrot et al., 1991). Cette définition générale semble acceptée, avec beaucoup de variantes.
Cette diversité est expliquée par l'imprécision dans les définitions de l'axe du col fémoral, plus complexes que ce que ne suggérait l'étude de Billing (1954): une ligne passant par deux points (le centre de la tête fémorale et le centre de la base du col fémoral). En fait, plusieurs axes peuvent être dessinés et utilisés pour mesurer l'antéversion. Trois axes sont définis.
Le premier est l'axe central du col, déjà défini par Kingsley et al. (1948, chap. 1.3.3.5), et passe strictement par le milieu du col fémoral enjoignant deux points situés à égale distance du bord antérieur et postérieur du col, l'un à l'extrémité proximale et l'autre distale (fig.1-8).
Le second est l'axe tête/col défini la première fois par Pearson et al. (1919); ligne joignant le centre de la tête fémorale au centre du col fémoral. 11 semble que la mesure de cet axe soit la plus répandue. Certains auteurs en donnent une définition intuitive (Hoiseth et al., 1988) mais Müller (1957) en précise les coordonnées. Il le fait passer par le centre de la tête fémorale et par le milieu de la droite joignant le sommet des concavités antérieure et postérieure du col, c'est à dire à la section la plus étroite du col (fig. 1 -9).
Figure 1-9: mesure de l'antéversion fémorale selon Müller (1957);
HC: centre de la tête; NC: centre du col
Pour Hoiseth et al. (1988), la description de l'axe tête/col trouve son intérêt en clinique, car elle intègre à la fois l'orientation de la tête fémorale et du col. Ils estiment que sa mesure radiographique, comparée à celle des autres angles décrits, est la plus précise et la plus reproductible.
La troisième manière de qualifier l'axe cervical est la représentation de l'axe tête/fut fémoral (Backman, 1957; Henriksson, 1980). Cette définition simple de l'antéversion fémorale repose sur des repères arbitraires que Billing (1954) définit par les points H et O (fig 1 -2a). Puisque la ligne
joignant le centre de la tête fémorale et le centre du col, l'axe tête/col, passe en avant de l'axe du fût fémoral (Norman, 1969; Grote et al., 1980), l'angle d’antéversion de l’axe tête/fut est alors toujours majoré par rapport au premier.
Toutes ces définitions, témoins d'un manque de consensus, engendrent xme grande confusion. De plus, les définitions d'un même axe peuvent être variables d'un auteur à l'autre. Par exemple, Murphy et al. (1987) et Mesgarzadeh et al. (1987) évaluent l'antéversion par scanner, en utilisant ce qu'ils nomment l'axe tête/col. Pour ne pas être influencés par la variabilité anatomique du col fémoral, ils définissent l'axe du col comme l'axe passant par le centre de la tête fémorale et l'axe du fût fémoral (fig. 1-10). Cette définition correspond dès lors à celle de l'axe tête/fût de Henriksson (1980). De telles confusions sont fréquentes dans la littérature (Reikeras et al., 1982b;
Hoiseth et al., 1989a; Wedge et al., 1989).
Figure 1-10: mesure de l'axe tête/fut; H: centre de la tête; 0: angle d'antéversion; K: centre d'une section transverse passant par les condyles; l'axe condylien est parallèle au plan de la t able et passe par le point K (Murphy et al., 1987)
L'asymétrie anatomique du col rendant difficile la définition d'un axe géométrique, Hoiseth et al.
(1988) ont montré que la construction intuitive de l'axe du col est aussi reproductible que la construction à partir de repères anatomiques précis.
1.3.3.6.2 Variation du plan de référence
La détermination du référentiel est également à l'origine de la discordance des mesures. Yoshioka et al. (1987a) définissent, à partir de 32 fémurs, une antéversion moyenne du col fémoral de 7,4°
par rapport à un axe qu'ils définissent dans le plan transverse comme passant par l'insertion du ligament croisé postérieur et parallèle à l'axe bicondylien passant par les deux épicondyles. S'ils considèrent comme axe de référence l'axe intercondylien postérieur, passant par les points postérieurs des condyles, l'antéversion est de 13,1°.
Hoiseth et al. (1988) notent la variabilité de la représentation de l'axe bicondylien (fig. 1-11).
Celui-ci joint le point le plus latéral et le plus médial de la corticale de l'extrémité distale du fémur posé sur un plan. Cet axe de référence a été défini par Weiner et al., en 1978.
Figure 1-11 : morphologie variable d'un condyle à l'origine de différence d'orientation de l'axe bicondylien (Hoiseth et al., 1988)
Ce changement de référentiel prend toute son importance dans les études par tomodensitométrie digitalisée (les coupes permettent de définir au niveau du genou plusieurs axes de référence, fig.
1-12).
Murphy et al. (1987) montrent que les méthodes de mesure de l'antéversion à partir de l'axe passant par le centre des deux condyles (GH, fig. 1-12) et par mesure de l’axe rétrocondylien (EF) sont les plus reproductibles et les plus constantes d'une coupe à l'autre. Ils définissent intuitivement les points G et H comme les centres géométriques de chaque condyle sans autre précision.
Pour rappel, Kingsley et al. (1948) et plus tard Wedge et al. (1989) mesurent l'antéversion non pas dans le plan transversal du patient mais dans le plan perpendiculaire au plan frontal et parallèle à l'axe du col. Cette variante aggrave la discordance de résultats.
Figure 1-12: représentation de divers axes au niveau des condyles; AB: axe condylien antérieur; CD: axe bicondylien; EF: axe rétrocondylien; GH: axe condylien 1.3.3.6.3 Relations entre les différents axes
Hoiseth et al. (1989b) déterminent radiologiquement une relation entre l'antéversion respective des deux axes d'antéversion tête/col et tête/fut. La différence moyenne est de 4,2°, le premier étant
toujours moins anteversé. Cette valeur est majorée, pour Henriksson (1980) et Reikeras et al.
(1982b), pouvant atteindre 10°.
Pour Murphy et al. (1987), la mesure de l'axe passant par le centre de la tête et du col n'a pas de sens. Lorsqu'ils mesurent son orientation sur une coupe digitalisée passant par le col et qu’ils la comparent à celle de l’axe tête/fut, ils disent sous-estimer l'antéversion fémorale de 18° pour les mesures cervicales les plus proximales, et de 6,9° pour les mesures les plus distales (sous- estimation moyenne de 13°). Hoiseth et al. (1989a) noteront aussi une différence si la mesure de l'antéversion cervicale est faite sur une coupe scaimer passant dans la moitié supérieure ou inférieure du col (fig. 1-13). Ces différences sont dues à la variation de la forme de la section cervicale évoluant de l'ellipse au cercle et à l'inclinaison du col. Elles sont considérées erronément comme le témoin d’une torsion pour Husmann et al. (1997).
10 degrés 11 degrés
20 degrés 22 degrés
Figure 1-13: variabilité de l'antéversion fémorale mesurée en fonction du niveau de la coupe scarmer. I à IV: coupes et reconstructions réalisées par CT scan passant d’une part par la tête et d’autre part, par le col dans sa moitié supérieure (I et II) et sa moitié inférieure (III et IV; Hoiseth et al., 1989)
1.4 Conclusions
Dans un contexte théorique et pratique, il est important de définir l'anatomie du col et son orientation dans l'espace.
Nous avons présenté l'évolution naturelle durant la croissance de plusieurs angles caractérisant l’extrémité proximale du fémur. Les différentes définitions des angles d'inclinaison et d'antéversion par rapport à divers référentiels ont été abordées, en exposant la confusion présidant à leur mesure. Elle pourrait venir du manque de symétrie anatomique du col, de sa grande variabilité de forme ou, plus simplement, d'un manque de définition rigoureuse de l'objet de la mesure. Il faut définir un seul axe du col fémoral dans un référentiel précis.
Chapitre 2: Etude de la résultante des forces agissant sur la hanche
2.1 Introduction
Le chapitre 1 étudie les différents rapports angulaires de l'extrémité proximale du fémur, plus particulièrement ceux du col fémoral. Nous avons défini plusieurs axes cervicaux et insisté sur la difficulté à déterminer quel pourrait être le seul axe anatomique et/ou biomécanique représentatif du col fémoral. Peut-être un tel axe n'existe t'il pas ou est impossible à définir dans une structure aussi complexe. Mais, au vu des possibilités d'adaptation de l'os aux contraintes, nous pourrions postuler que l'orientation du col répond aux sollicitations qui lui sont appliquées itérativement (Morlock et al., 2001). Le présent chapitre traite des forces agissant sur la hanche.
2.2 Historique
Des essais de calcul de la force agissant sur la hanche furent entrepris dès 1680 par Borelli. En 1850, Fick note l'importance du système musculaire sur la genèse de ces forces alors que Meyer (1867 ;, ignorant l'effet des muscles, suppose erronément que la tête fémorale supporte un poids de 30 kg.
Koch (1917) suppose une charge dynamique double de la charge statique: lors d'un appui monopodal statique, la tête fémorale serait chargée par une force équivalente à 80% du poids du corps, alors que cette force serait de 1,6 fois le poids du corps, lors de la marche. Grunewald (1918) suppose que la force agissant sur la hanche lors de la marche est de 400 kg. Pour Storck (1931), la force musculaire équivaut au double du poids du corps. Il donne une orientation de la force sur la verticale de 15'^.
Thomsen (1934) et Küntscher (1936) calculent la force résultante à partir du poids et des forces musculaires pouvant être mises enjeu lors de l’appui monopodal. En 1935, Pauwels détermine, à partir des travaux de Braune et Fischer* (1895), outre la force exercée sur la hanche, lors des positions unipodale et bipodale, celle appliquée durant les différentes phases de la marche. Lors de l'appui bipode, la direction de la résultante des forces est verticale et s'incline de 16° sur la verticale en appui monopode. Plusieurs auteurs déterminent par la suite les forces exercées sur la hanche, avec des résultats variant de 1,5 à 4,6 fois le poids du corps (Inman, 1947; Cabot et al., 1952;Kness, 1955;
Millier, 1957). La majorité des études concerne la force résultante dans le plan frontal. Inman ( 1947) estime, par calcul vectoriel et analyse de radiographies, que la direction de la force résultante dans le plan frontal est inclinée de 10° à 15° sur la verticale, correspondant à la direction des travées médiales du col. Pour Backman (1957), la direction de la force résultante fait un angle de 28° avec l'axe cervical. Paul (1976) déterminera à partir d’une plate forme de marche et par calcul une orientation dans le plan frontal variant de 12,5° à 21 °. Bombelli ( 1993) détermine l'orientation de la résultante à partir de la direction des travées médiales et latérales du fémur et du bassin: elle serait, selon lui, verticale!
Nous proposons de revoir l'évolution des estimations de la résultante des forces, de Pauwels jusqu'à nos jours. Pour la compréhension, plusieurs données sont à préciser.
* Par souci d’uniformisation, nous ne citons que le nom du premier auteur. Dans le cas présent, une exception est faite car c’est Fischer qui a écrit la majeure partie du travail puisque Braune l’a conçu avec lui mais est décédé avant la publication du premier chapitre.
2.3 Centre de gravité 2.3.1 Déflnition
Le centre de gravité est le point tel que la somme des moments exercés par chaque masse élémentaire du corps par rapport à lui est nulle. Le poids du corps tout entier peut être considéré concentré en ce point. Sa position est fonction de la répartition de la masse corporelle dans l'espace et de l'attitude du sujet; il peut se situer en dehors du corps et il n’a donc aucune définition anatomique précise.
2.3.2 Oscillation du centre de gravité au repos
Puisque le centre de gravité se situe au-dessus de la ligne joignant le centre des deux têtes fémorales, le système musculaire doit être constamment en éveil pour éviter tout déséquilibre. Suite aux travaux de Baron (1964), Lord et al. (1976) démontrent que le corps humain, debout et au repos, n'est jamais immobile: il oscille en permanence suivant des rythmes complexes dont la fréquence et l’amplitude dépendent des systèmes sensori-moteurs qui maintiennent le centre de gravité à l'intérieur et un peu en arrière du centre du polygone de sustentation, réalisant l'équilibre du sujet. Ceci a été confirmé chez les enfants par Ferdjallah et al. (2002). Lord et al. ( 1976) ont montré que près de 80% des sujets nprmaux se tenaient debout en prenant un appui préférentiel sur le membre inférieur droit.
2.3.3 Evolution du centre de gravité durant la marche
Braune et Fischer (1895) déterminent la variation du centre de gravité S du corps (Schwerpunkt) durant la marche, sur un individu de 164 cm et de 58,7 kg. Le cent re de gravité, qu'ils dénomment Sô , se situe un peu en avant de la vertèbre S1. Ils étudient la cinématique de la marche par une méthode photogrammétrique extrêmement raffinée, inspirée des travau;. de Marey (1882). La marche est décomposée en 31 phases (fig. 2-1):
1 à 4 : appui sur le pied gauche avant d'entrer dans les positions typiques de la marche;
5 à 10: appui sur le pied gauche dans le cycle classique;
11: appui bipode;
12 à 23: appui sur le pied droit;
24: appui bipode;
25 à 30: appui monopode gauche.
La phase 31 correspond à la dernière phase photographiée par les auteurs. Ils représentent les variations de coordonnées du centre de gravité dans un système orthogonal dont l’origine O est un point fictif se déplaçant dans le sens de la marche à la vitesse moyenne de la marche étudiée. La variation de la position du centre de gravité par rapport à ce point reflète les accélérations et décélérations de celui-ci par rapport à une vitesse constante dans le plan étudié. La vitesse du modèle de Braune et Fischer (1895) est de 5,7 km/heure, ou 157 cm/seconde. Le cycle complet de marche dure 1,2 seconde.
Pauwels (1935, 1979) mène une analyse analogue mais plus complète sur la hanche. Le centre de gravité qui l’intéresse n'est plus celui de tout le corps, comme postulé par Braune et Fischer (1895), mais celui du corps duquel on soustrait le poids du membre portant. Il le nomme S5
