Soutenance de thèse de Manon STERBA

Le rachis est une structure ostéo-disco-ligamentaire complexe jouant un rôle majeur dans la stabilité et la mobilité du corps humain. Dans certaines conditions, des blessures traumatiques ou de fatigue peuvent survenir. Chaque année, plus de 700 000 nouveaux traumas rachidiens sont comptabilisés au niveau mondial. Les blessures de fatigue, résultant d’une sur-sollicitation des structures vertébrales, sont fréquentes dans le domaine sportif. La spondylolyse est la blessure la plus commune parmi les blessures de fatigue dues au sport, notamment chez les adolescents. Des méthodes expérimentales et numériques permettent d’étudier les pathomécanismes du rachis afin de mieux prévenir et prendre en charge ces blessures résultant de chargements dynamiques. Les études portant sur les risques de blessures du rachis lombaire se sont majoritairement intéressées à des mécanismes en compression et à des sollicitations quasi-statiques, laissant des lacunes dans la compréhension des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives. Pour pallier ces limites, cette thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes de blessures du rachis lombaire dans des conditions traumatiques et sportives en tenant compte des facteurs intrinsèques (posture, propriétés mécaniques des ligaments) et extrinsèques (conditions de chargement). Cette thèse comprend un volet expérimental et un volet numérique. Le volet expérimental décrit la caractérisation des ligaments du rachis thoracique et lombaire humain en traction uni-axiale dynamique. Le volet numérique porte sur l’analyse par éléments finis des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques, d’une part, et pour l’étude des risques de spondylolyse dans le domaine sportif d’autre part. Pour cela, le modèle SM2S, Spine Model for Safety and Surgery, développé conjointement par le laboratoire de Biomécanique Appliquée (Université Aix-Marseille et IFSTTAR), Polytechnique Montréal et l’École de technologie supérieure a été exploité. Ce modèle détaillé, tant au niveau de la géométrie que des propriétés mécaniques, permet l’étude des lésions du rachis en condition dynamique. Cette thèse a été réalisée en cotutelle entre Polytechnique Montréal et le Laboratoire de Biomécanique Appliquée de Marseille (UMRT21 Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux/ Aix-Marseille Université) et s’inscrit dans les travaux de recherche du Laboratoire international – Imagerie et biomécanique du rachis (iLab-Spine) ainsi que de la Chaire de recherche industrielle CRSNG/Medtronic en biomécanique de la colonne vertébrale.

The spine is an osteo-disco-ligamentous structure playing a major role in the human body’s stability and mobility. In some conditions, traumatic or stress injuries may happen. Each year, more than 700,000 new traumatic injuries are diagnosed worldwide. Stress injuries result from overuse of spinal structures because of repetitive movements and sport practice is a common cause. The spondylolysis is the most common stress injuries due to sport activities, particularly in adolescents. Experimental and numerical methods allow to study the spine pathomechanisms in order to help injury prevention and clinical management. Research on the lumbar injuries risk has mainly focused on compressive mechanisms and quasi-static loading conditions. This limits the understanding of the lumbar pathomechanisms in traumatic and sport-related conditions where the spine is submitted to complex dynamic loads. In order to address these limitations, the objective of this thesis was to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms in traumatic and sport-related conditions taking into account intrinsic (posture, ligament mechanical properties) and extrinsic factors (loading conditions). This thesis present a combined approach of experimental tests on cadaveric ligament and detail numerical modeling of the lumbar spine under dynamic conditions. The experimental part deals with the lumbar and thoracic ligament characterization under uni-axial dynamic tensile tests. The numerical part was performed to assess the pathomechanisms of the lumbar spine in traumatic conditions and related to the risk of spondylolysis in sport-related conditions. In this section, the SM2S model, Spine Model for Safety and Surgery, jointly developed by the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University, Polytechnique Montréal and École de technologie supérieure was used. This finite element model includes a detailed geometric and material behavior description of the spinal component and was developed to study spinal injuries in dynamic conditions. This project was done as a joint program between Ecole Polytechnique de Montreal and the Laboratoire de biomécanique appliquée (UMRT21 Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux/ Aix-Marseille Université) and was a part of the research work of the iLab-Spine (International Laboratory - Spine Imaging and Biomechanics) and the Industrial Research Chair program CRSNG/Medtronic on the spinal biomechanics.