Identification et effet des états de tension des ligaments en fonction de la posture du rachis lombaire

Identification and effects of the initial tension state in ligaments according to the lumbar spine posture

• Auteur / Autrice : Pierre-Hugo Minster
• Direction : Yoann Lafon-Jalby, Philippe Beillas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Ronel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yoann Lafon-Jalby, Sébastien Laporte, Morgane Evin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Laporte, Morgane Evin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonne vertébrale -- Propriétés mécaniques

Modélisation tridimensionnelle

Ligament jaune

Vertèbres lombaires

Mots clés libres

Modèle humain numérique

Élément fini

Rachis lombaire

Ligaments

Laxité

Précharge

Amplitude de mouvement

Numerical human model

Finite element

Lumbar spine

Ligaments

Laxity

Preload

Range of motion

Résumé

L'apparition des modèles numériques de corps humain, en particulier par la méthode des éléments finis, a été bénéfique pour la biomécanique et l'ingénierie médicale. Ces modèles permettent de décrire le comportement mécanique des structures anatomiques, tout en prenant en compte différentes morphologies. Les modèles incluant une représentation de la colonne lombaire sont aujourd’hui largement utilisés en orthopédie (e.g. la conception d’implants), en ergonomie (e.g. prédiction des risques de douleur) et en choc automobile (e.g. la conception des dispositifs de retenue). Mais ces modèles supposent presque toujours un état initial de contrainte nulle. Pour la colonne lombaire, ils ne prennent pas en compte ni les chargements initiaux des ligaments rachidiens pour une posture initiale donnée, ni les pré-chargements résultant d’un changement de posture initiale. Or, les ligaments jouent un rôle crucial dans la stabilité et la réponse mécanique de la colonne vertébrale. Le projet de thèse vise à identifier et évaluer les états initiaux des ligaments lombaires en fonction de la posture, en utilisant des modèles par éléments finis. Le travail de recherche est divisé en trois parties : l'identification des états initiaux des ligaments, la modélisation de ces états et l'évaluation des réponses des modèles. La thèse est structurée en cinq chapitres. Les deux premiers chapitres fournissent un rappel anatomique du rachis lombaire et une revue de littérature approfondie sur la modélisation et les caractéristiques des ligaments lombaires. Le troisième chapitre étudie les différentes méthodes de modélisation des ligaments, afin de mieux comprendre leurs effets et présente une méthode de détermination des laxités ligamentaires pour répondre aux exigences d’amplitude de mouvement. La méthode, générique, peut être adaptée à tout type de modèle et de structures anatomiques, et renforcer par des nouvelles hypothèses. Le quatrième chapitre décrit l’effet des précédentes gammes de laxité et de prétension des ligaments sur des modèles locaux (de l’unité fonctionnelle au segment vertébral) et globaux (corps complet) : la réponse mécanique simulée est comparée à des données expérimentales de la littérature (cinématique, efforts facettaires, pression intra-discale, et risque à rupture des ligaments). Le cinquième chapitre propose de déterminer la laxité des ligaments à partir de résultats expérimentaux détaillés et cohérents : cette base de données récente contient, pour plusieurs niveaux vertébraux, les géométries osseuses en position initiale et la caractérisation des unités fonctionnelles (pour plusieurs chargements) et de chacun de leurs ligaments (en traction). Ces travaux ont montré la nécessité de déterminer et de modéliser un état de pré-chargement initial dans les ligaments lombaires, pour améliorer le comportement des modèles numériques utilisés en biomécanique vertébrale et notre compréhension du rôle des différentes structures anatomiques du rachis.

The emergence of numerical models of the human body, particularly using the finite element method, has proven to be beneficial for biomechanics and medical engineering. These models enable the description of the mechanical behavior of anatomical structures while considering various morphologies. Models that incorporate representations of the lumbar spine are now widely used in orthopedics (e.g., implant design), ergonomics (e.g., prediction of pain risks), and automotive crash analysis (e.g., restraint system design). However, these models almost always assume an initial state of zero stress. For the lumbar spine, they do not account for either the initial loading of spinal ligaments for a given posture or the preloads resulting from a change in the initial posture. Yet, ligaments play a crucial role in the stability and mechanical response of the vertebral column. The main objective of this thesis project is to identify and evaluate the initial states of the lumbar ligaments based on posture, using finite element models. The research work is divided into three parts: the identification of initial states of the ligaments, the modeling of these states, and the evaluation of the model responses. The thesis is structured into five chapters. The first two chapters provide an anatomical review of the lumbar spine and an in-depth literature review on the modeling and characteristics of lumbar ligaments. The third chapter explores various methods for modeling ligaments to better understand their effects and presents a method for determining ligament laxities to meet the requirements of motion range. The generic method can be adapted to any type of model and anatomical structures and can be reinforced by new assumptions. The fourth chapter describes the effect of different ranges of ligament laxity and pretension on local models (from functional units to vertebral segments) and global models (entire body): simulated mechanical responses are compared to experimental data from the literature (kinematics, facet joint forces, intra-discal pressure, and ligament rupture risk). The fifth chapter proposes to determine ligament laxity based on detailed and consistent experimental results: this recent database contains, for several vertebral levels, the initial bone geometries and characterization of functional units (for various loadings) and each of their ligaments (under tension).These studies have demonstrated the necessity of determining and modeling an initial preloading state in lumbar ligaments to improve the behavior of numerical models used in vertebral biomechanics and to enhance our understanding of the role of different anatomical structures in the spine.