Soutenance de thèse de Arash FORODIGHASEMABADI

Le rugby est l'un des trois sports d'équipe de contact les plus populaires dans lesquels les joueurs courent un risque accru de blessure en raison des impacts reçus sur le terrain. La force appliquée au cerveau et à la colonne cervicale peut entraîner des accidents graves tels que des commotions et des fractures. Néanmoins, grâce à des programmes de prévention spécifiques et à l'évolution de la législation, les blessures et les traumatismes de la colonne vertébrale ont notablement diminué, et le suivi médical des athlètes souffrant de commotions devient progressivement spécialisé. Cependant, le rachis cervical, la moelle épinière et le cerveau sont également soumis à des microtraumatismes induits par les impacts reçus régulièrement pendant le jeu. Des études antérieures ont montré que les joueurs de rugby présentent davantage de douleurs chroniques au niveau du cou, de sténoses et d'ostéophytes, ainsi qu'un canal vertébral plus étroit, par rapport aux témoins sains appariés en âge. En ce qui concerne le cerveau, le nombre d'impacts à la tête pourrait être un facteur de risque pour le développement de changements neurophysiologiques et affecter les performances du joueur dans les tâches d'attention et de mémoire après la saison. Cependant, les effets des microtraumatismes sur la moelle, et les effets à plus long terme sur le cerveau, n'ont jamais été systématiquement étudiés. À cette fin, le premier objectif de cette thèse était de développer et d'optimiser les séquences d'IRM quantitatives qui sont sensibles à la démyélinisation, la dégénérescence et la restructuration du tissu nerveux. Deux méthodes quantitatives d'IRM, Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echo (MP2RAGE), qui est une technique rapide de cartographie T1, et inhomogeneous Magnetization Transfer (ihMT), qui est une technique sensible et spécifique aux tissus myélinisés, ont été optimisées pour l'imagerie du cerveau et de la moelle et utilisées pour étudier le vieillissement et la démyélinisation du cerveau et de la moelle dans une population de 31 volontaires sains de différents groupes d'âge. Les techniques quantitatives précédemment optimisées ont ensuite été utilisées avec d'autres techniques RM qualitatives et des questionnaires médicaux, dans un groupe de 15 joueurs à la retraite et 15 témoins appariés en âge, pour étudier les altérations microstructurales du cerveau et de la moelle. Les joueurs de rugby ont montré des scores d'incapacité cervicale significativement plus élevés, ainsi que des valeurs T1 plus élevées suggérant une dégénérescence structurelle de la moelle, et une augmentation de T1 et une diminution de ihMTsat suggérant une démyélinisation de la substance blanche du cerveau, par rapport aux témoins, ce qui peut suggérer des effets cumulatifs d'impacts. Le deuxième objectif du projet était d'utiliser un modèle à éléments finis pour étudier la réponse biomécanique des tissus aux impacts en rugby. À cette fin, le modèle de colonne vertébrale pour la sécurité et la chirurgie (SM2S), un modèle détaillé de la colonne vertébrale, a été personnalisé sur la base des données IRM d'un joueur de rugby. De plus, la simulation multi-corps de plaquage a été utilisée pour extraire les déplacements résultants basés sur le critère de blessure au cou, et donnés comme conditions limites à la simulation par éléments finis. Dans l'ensemble, cette étude préliminaire combinant des simulations multi-corps et par éléments finis a démontré que les différentes morphologies des joueurs pouvaient affecter la contrainte, avec une contrainte plus élevée dans la substance grise que dans la substance blanche. Dans l'ensemble, cette approche multi-physique utilisant à la fois l'IRM et la biomécanique pourra permettre d'évaluer le risque de blessure à court et à long terme, d'aider les fédérations à mettre en œuvre des stratégies de prévention des blessures et d'améliorer bilan d'aptitude et le suivi médical des joueurs.

Rugby is one of the three most popular team contact sports in which players are at an increased risk of injury due to the impacts received on the field. Force applied to the brain and the cervical spine can lead to serious accidents such as concussions and fractures, nonetheless, thanks to specific prevention programs and law changes, spine injuries and traumas have notably decreased, and medical follow-up of athletes with concussion is becoming progressively specialized. However, cervical spine, spinal cord (SC) and brain are also subjected to microtraumas induced by the impacts regularly received during the game. Previous studies showed that rugby players have more chronic neck pain, foraminal stenosis and osteophytes, and narrower vertebral canal as compared to age-matched healthy controls (HC). On brain, the number of head impacts could be a risk factor for developing neurophysiological changes and affect the player’s performance on attention and memory task post-season. However, the effects of microtrauma on the SC itself, and the more long-term effects on the brain, have never been systematically investigated. To this end, the first objective of this thesis was to develop and optimize state of the art quantitative MRI sequences that are sensitive to demyelination, degeneration, and restructuration of the nervous tissue. Two quantitative MR methods, Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echo (MP2RAGE), which is a fast T1 mapping technique, and inhomogeneous Magnetization Transfer (ihMT), which is a technique sensitive and specific to myelinated tissue, were optimized for brain and cSC imaging and used for studying aging and demyelination of brain and cSC in a population of 31 healthy volunteers across different age groups. The previously optimized quantitative techniques were then used with other qualitative MR techniques and medical questionnaires, in a group of 15 retired players and 15 age-matched HC, to study microstructural alterations of brain and cSC. Rugby players showed significantly higher neck disability scores, as well as higher T1 values suggestive of structural degeneration of cSC, and an increased T1 and decreased ihMTsat suggestive of brain WM demyelination, as compared to age-matched HC, which may suggest cumulative effects of long-term impacts. The second objective of the project was to use a finite element model to investigate the biomechanical response of the tissue to impacts in rugby. To this end, the Spinal Model for Safety and Surgery (SM2S), a detailed model of spine and SC, was personalized based on the MR data of a rugby player and multi-body simulation of tackling were also used to extract the resulting displacements based on neck injury criterion, and given as boundary conditions to the finite element simulation. Altogether, this preliminary study combining multi-body and finite element simulations, demonstrated that the different players morphology could affect the resultant von-mises stress, with more elevated stress in the GM than WM. Overall, this multi-physics approach using both MRI and biomechanics would help assess the short- and long-term risk of injury, help federations in implementing injury preventive strategies, and improve the aptitude assessment and medical follow-up of the players.