Soutenance de thèse de Marie-Hélène BEAUSEJOUR

Les blessures au rachis cervical surviennent lors de chutes ou d’accidents de la route. Les blessures en flexion-distraction, touchant les structures disco-ligamentaires postérieures, sont fréquentes et entraînent de forts risques de blessures médullaires. Le mécanisme lésionnel de ces blessures est toujours débattu et peu d’informations existent sur la contribution des structures disco-ligamentaires sur la stabilité post-traumatique et sur l’atteinte neurologique. L’objectif de la thèse était d’analyser l’influence du mécanisme lésionnel sur l’instabilité et l’endommagement mécanique de la moelle épinière lors de blessures en flexion-distraction. Une étude expérimentale sur six sujets cadavériques a été menée pour caractériser le mécanisme lésionnel global lors d’impact dynamique à l’arrière de la tête. Le chargement en flexion-compression appliqué à la tête a créé des blessures en flexion-distraction sur quatre sujets, dont deux avec une fracture de la facette articulaire. Des courbes d’accélérations des sujets, de force de l’impact et de déplacement de la tête et des vertèbres ont été acquises. Les plus grandes augmentations d’amplitude de rotation intervertébrale post-trauma correspondaient à des fractures des facettes démontrant l’instabilité de cette blessure. Un modèle par éléments finis (MEF) d’une unité fonctionnelle tirée du modèle SM2S du groupe iLab Spine a été utilisé pour étudier le mécanisme lésionnel local. Le MEF a été soumis à deux chargements jusqu’à la rupture, soit la flexion ou la flexion combiné à la compression. En flexion, les ligaments jaune (LJ) et inter-épineux (LIE) étaient les premiers rompus. En flexion-compression, les portions antérieures et postérieures du DIV étaient les premières structures lésées. Dans les deux cas, les ligaments capsulaires n’ont pas rompu ce qui suggère que des chargements différents sont nécessaires pour mener à leur blessure. La contribution des structures disco-ligamentaires postérieures à la stabilité du rachis cervical en flexion a été mesurée numériquement. Une blessure des ligaments postérieurs (ligament supra-épineux, LIE et LJ) et une rupture transversale progressive du DIV a été modélisée à trois niveaux (C2-C3, C4-C5 et C6-C7) sur le modèle C2-T1 de SM2S. La rupture des ligaments postérieurs a eu peu d’impact à C2-C3, mais a augmenté la mobilité de 77 et 191% à C4-C5 et C6-C7 respectivement. À l’opposé, la rupture complète du DIV a eu un impact important au niveau C2-C3 et a généré une augmentation de l’amplitude de rotation de 181%. Pour caractériser l’endommagement de la moelle épinière, des combinaisons de blessures disco-ligamentaires postérieures ont été testées sur le MEF de C2-T1. En flexion, la rupture complète du DIV et des ligaments postérieurs à l’exception du ligament postérieur longitudinal est la situation qui a créé les plus grandes contraintes de von Mises (47 à 66 kPa), les plus grandes déformations principales p1 (0,32 à 0,41) et p3 (-0,78 à -0,96) et la plus importante compression de la moelle épinière (35 à 48%). Le mécanisme lésionnel observé était une compression de la partie antérieure de la substance blanche au niveau lésé combiné à une tension de la partie postérieure de la moelle. Les ligaments capsulaires étaient les structures les plus importantes pour la protection de la moelle épinière suivi du DIV. Ce projet a mis en évidence le lien entre les patrons de blessures disco-ligamentaire et l’instabilité. L’hypothèse que les blessures en flexion-distraction sont causées par une force de flexion-compression à la tête a été démontrée et des données nouvelles de cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’impacts à l’arrière de la tête ont été recueillies. Les connaissances acquises permettront de guider la conception et l’évaluation de dispositifs de protection du rachis.

Cervical spine injuries occur from falls or road accidents. Flexion-distraction injuries, characterized by disruption of the posterior disco-ligamentous structures, are frequent and lead to high risks of neurological deficits. The corresponding injury mechanism is still debated in the literature and there have been few studies on the contribution of the disco-ligamentous injuries on post-traumatic stability and spinal cord injury. This thesis aimed to analyse the influence of the injury mechanism on instability and spinal cord damage. An experimental study was performed on six human cadavers to characterize the global injury mechanism following a rear-head dynamic impact. The flexion-compression loads applied to the head lead to flexion-distraction injuries on four subjects and, from those, two had fractures at the articular facets. Subjects’ accelerations, head and cervical spine vertebrae displacements and the impact force during the impact were collected. Important intervertebral range of motion (ROM) post-trauma increases were caused by facets fracture showing the instability of this injury. A functional spinal unit finite element model (FEM) taken from the SM2S model developed by the research group iLab Spine was used to study the local injury mechanism. The FEM was submitted to two types of loading up to failure: flexion and flexion-compression. Under flexion, the ligamentum flavum (LF) and the interspinous ligament (ISL) were the first structures to fail. Under flexion-compression, the anterior and posterior intervertebral disc (IVD) were the first structures to fail. In both cases, the capsular ligaments were not disrupted which suggest that different types of loadings are required to injure them. Posterior disco-ligamentous structures contribution to cervical spine stability in flexion was then measured numerically. Rupture of the posterior ligaments (supraspinous ligament, ISL and LF) and an IVD transversal rupture was modeled at three spinal levels (C2-C3, C4-C5 and C6-C7) using the C2-T1 FEM from SM2S. Posterior ligaments rupture had little impact on C2-C3, but increased the ROM by 77 and 191 % at C4-C5 and C6-C7 respectively. On the contrary, complete IVD rupture had an important effect at C2-C3 and lead to a ROM increase of 181%. To characterize the spinal cord damage under flexion-distraction injuries, posterior disco-ligamentous injuries combinations were tested on the C2-T1 SM2S FEM. Under flexion, complete IVD rupture with posterior ligaments rupture, preserving the posterior longitudinal ligament, lead to the highest von Mises stresses (47 to 66 kPa) and the highest principal strains p1 (0.32 to 0.41) and p3 (-0.78 to -0.96). The observed injury mechanism was a combination of anterior white matter compression and posterior spinal cord distraction. The capsular ligaments were the most important structures to protect the spinal cord from damage followed by the IVD. This doctoral project demonstrated the relation between injury pattern and spinal cord instability. The hypothesis that flexion-distraction injuries are caused by flexion-compression loading to the head was confirmed experimentally and new head and cervical spine kinematics for dynamic rear-head impacts was obtained. The knowledge acquired during this thesis will be useful for the development and evaluation of spinal protective devices.