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JOURNÉES DU PRIVÉ DÉGÉNÉRESCENCE DES SEGMENTS ADJACENTS SUITE À UNE FUSION LOMBAIRE COURTE PHILIPPE MAXY PRINCIPAL SCIENTIST, MEDTRONIC INTERNATIONAL TRADING SARL RTE DU MOLLIAU 31 | CH - 1131 TOLOCHENAZ L' ostéosynthèse vertébrale est une technique chirurgicale relativement ancienne qui connait aujourd’hui un grand essor avec l’amélioration continue de la fiabilité des matériels mis à la disposition des chirurgiens. La dégénérescence des disques adjacents à une fusion est interprétée comme une complication tardive de la fusion rachidienne, et notamment en cas d’ostéosynthèse. Certes, la fusion lombaire entraîne des modifications biomécaniques rachidiennes. Mais l’ostéosynthèse est elle pour autant la cause de la dégénérescence adjacente? Quel est le rôle des courbures dans le plan sagittal ? Peut-on prévenir cette dégénérescence et ses effets ? Pour le biomécanicien, la dégénérescence discale peut être associée à un trouble d’ordre mécanique. Ce trouble peut avoir plusieurs origines liées à des charges importantes distribuées sur chaque unité fonctionnelle vertébrale, des pressions intra discales excessives, un défaut de posture, une cinématique rachidienne anormale ou encore une morphologie propice à la dégénérescence. Un rôle important de la colonne vertébrale est de supporter les forces mécaniques en position debout. Dans ce cas, le sujet effectue en permanence des petits mouvements de rééquilibrage afin de maintenir la projection de son centre de masse à l’intérieur d’un polygone de sustentation et d’assurer un équilibre dans les 3 plans de l’espace: à la fois dans le plan frontal, dans le plan horizontal et surtout dans le plan sagittal antéropostérieur. • Dans le plan frontal grâce à un système de haubans musculaires tendus entre la colonne vertébrale et les ceintures scapulaires et pelviennes. • Dans le plan horizontal avec mise en jeu des muscles rotateurs internes et externes, • Dans le plan sagittal avec mise Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 en jeu des muscles antéropostérieurs. Chez le sujet en position érigée, chaque unité fonctionnelle rachidienne est en permanence soumise à des efforts, générateurs de sollicitations mécaniques : • Des efforts statiques, de compression et de cisaillement, liés à l'action de la pesanteur, et provenant du poids des segments susjacents au segment étudié, • Des efforts dynamiques qui peuvent s'ajouter aux précédents à l'occasion de l'exécution des actes courants de la vie quotidienne, des mouvements, etc. En statique, à chaque étage vertébral existe un équilibre entre le poids du segment corporel susjacent, les charges de compression et de cisaillement des disques intervertébraux, les efforts musculaires de régulation (tension des muscles spinaux et des ligaments postérieurs). En réalité, il faudrait prendre en compte la tension des muscles abdominaux, et la force correspondant à la pression régnant dans la cavité abdominale. Seuls les premiers seront retenus. La statique graphique permet de les analyser, les évaluer avec une approximation acceptable en étudiant l'équilibre mécanique des disques intervertébraux dans le plan sagittal. Ce type d’analyse peut aider à la compréhension de l’effet dommageable de troubles posturaux sur la colonne vertébrale. La figure 1 illustre de manière schématique l’équilibre des charges au niveau des différentes unités fonctionnelles vertébrales. En L3-L4, l’équilibre du rachis est dit économique car peu d’efforts musculaires suffisent à réguler la position debout. Dans ces conditions le rachis est soumis essentiellement à une compression axiale. En revanche, pour les unités fonctionnelles vertébrales inférieures, l’équilibre du rachis fait apparaître une augmentation des charges de compression du disque intervertébral ainsi qu’une composante de cisaillement, augmentant avec l’inclinaison du disque. Lorsque des troubles posturaux surviennent, déportant la ligne de gravité vers l’avant de dix millimètres par exemple, la transmission des charges dans le rachis est modifiée. Le moment de flexion généré croît, pouvant même devenir excessif, et des mécanismes compensatoires complexes sont mis en place, surtout au niveau du système musculo-ligamentaire, afin de retrouver un équilibre stable. En conséquence, les muscles para vertébraux interviennent d’avantage (+60% par rapport à l’équilibre économique) afin de réguler ce moment de flexion. Cet effort musculaire de régulation induit une augmentation de 20% des charges de compression et de cisaillement au niveau des disques en raison des faibles bras de levier. Toutefois, cette nouvelle condition est moins économique et peut engendrer des douleurs et des dysfonctionnements ponctuels ou chroniques. Lorsque cette situation devient permanente, il en résulte une fatigue musculaire conduisant à une diminution de la capacité de régulation, et une dégradation du rachis. Ainsi, une anomalie de l’équilibre sagittal persistante en postopératoire peut être responsable totalement ou en partie de l’échec du traitement chirurgical : tout traitement ne permettant pas la restauration d’un équilibre économique, ou induisant un trouble postural peut conduire à terme à des complications mécaniques. De toute évidence, l’analyse de l’équilibre postural du patient est fondamentale, ce qui conduit à rechercher une vue globale du patient. ANALYSE DE L’ÉQUILIBRE SAGITTAL Figure 1 : Equilibre des charges au niveau des différentes unités fonctionnelles vertébrales. En L3-L4, l’équilibre du rachis est dit économique car peu d’efforts musculaires suffisent à réguler la position debout. En revanche, pour les unités fonctionnelles vertébrales inférieures, l’équilibre du rachis fait apparaître une augmentation des charges de compression du disque intervertébral ainsi qu’une composante de cisaillement, augmentant avec l’inclinaison du disque. Lorsque des troubles posturaux surviennent, déportant la ligne de gravité vers l’avant de dix millimètres par exemple, la transmission des charges dans le rachis est modifiée. Le moment de flexion généré croît, et des mécanismes compensatoires complexes sont mis en place, surtout au niveau du système musculo-ligamentaire, afin de retrouver un équilibre stable. Une fatigue musculaire s’installe. 30 Plusieurs auteurs [LEGAYE, DUVAL BEAUPERE, ROUSSOULY, …] ont recherché les paramètres qui permettent d’apprécier sur le plan quantitatif cet équilibre sagittal, et ont reconnu l’importance de considérer l’incidence pelvienne, la pente sacrée, la version pelvienne, puis la lordose et la cyphose. La compréhension des relations d’interdépendance entre ces paramètres est fondamentale pour comprendre les mécanismes de compensation susceptibles d’intervenir en cas d’anomalie conduisant à un trouble postural. Ces mêmes auteurs ont bien décrit la forte corrélation entre ces paramètres spino-pelviens et notamment entre la lordose et la pente sacrée (figure 2). Considérons le plateau du sacrum comme le socle sur lequel repose la colonne vertébrale. Lorsque ce plateau s’incline vers l’avant, donc lorsque la pente sacrée augmente, le corps bascule vers l’avant et le sujet doit augmenter sa lordose s’il veut ramener sa Figure 4 : Une localisation atypique des centres instantanés de rotation des unités vertébrales peut renseigner sur une éventuelle anomalie cinématique. Cette figure suggère un trouble cinématique en L5-S1 pour laquelle le centre instantané de rotation se révèle être trop antérieur. ANALYSE DU MOUVEMENT ET DES PRESSIONS INTRA DISCALES Figure 2 : Relation d’inter dépendance entre incidence, pente sacrée, lordose et cyphose (d’après LEGAYE J., DUVAL-BEAUPERE G., et Al). ligne de gravité à l’intérieur du polygone de sustentation. A l’inverse, lorsque la pente sacrée diminue, le corps bascule vers l’arrière, et conduira le patient à réduire sa lordose dans un processus inverse. Dans ces conditions, si un geste opératoire fixe un des paramètres spino-pelviens – la lordose par exemple – alors le patient dispose de moins de marge de manœuvre pour recouvrer une position d’équilibre économique qui lui est spécifique. Ceci peut donc être à l’origine de troubles mécaniques ultérieurs. Différents logiciels permettent l’analyse d’une vue globale du patient. Ces logiciels sont généralement couplés à une plateforme de force qui permet de localiser la ligne de gravité du patient et de sa projection dans le polygone de sustentation. Les premières utilisations de ces logiciels ont permis de déterminer la forme globale du rachis dans une population normale asymptomatique, puis de définir 4 types de profils (figure 3). Un premier groupe pour lequel la colonne vertébrale est non harmonieuse avec une cyphose thoraco-lombaire et une hyper lordose basse et courte. Le second regroupe les colonnes vertébrales plates. Le troisième, celui des colonnes vertébrales régulières et harmonieuses. Enfin les colonnes vertébrales hyper lordosées mais harmonieuses sont regroupées en un quatrième type. Considérons un paramètre pelvien particulier : l’incidence pel- vienne. Il s’agit d’un paramètre morphologique spécifique à un patient donné. Ce paramètre permet de regrouper ces 4 types de profils en 2 groupes. L’un caractérisant les sujets de faible incidence, l’autre ceux de grande incidence. Dans ce contexte une instrumentation fixant une faible lordose sans modification de l’orientation du socle pelvien peut induire un trouble postural permanent. En d’autres termes, les dos les plus rectilignes sont les moins tolérants. Par ailleurs, une incidence moyenne ou faiblement élevée peut procurer une possibilité plus importante de compensation des problèmes de déséquilibre eu égard peut être au nombre de vertèbre impliquées dans le segment lordosé. Figure 3 : Quatre types de profils rachidiens pour une population normale asymptomatique selon ROUSSOULY et Al. Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 31 L’analyse quantitative des mobilités rachidiennes peut renseigner sur une éventuelle anomalie cinématique. D'un point de vue clinique, le concept d'instabilité segmentaire du rachis peut être associé à des anomalies cinématiques intervertébrales. Ces anomalies peuvent se traduire par des rotations intervertébrales anormalement faibles ou anormalement élevées (supérieures à 15°), par des translations antéropostérieures importantes (supérieures à 3 mm) traduisant l'action des forces de cisaillement non absorbées par les disques intervertébraux,… ou encore par une localisation atypique du centre instantané de rotation des unités vertébrales. La figure 4 suggère un trouble cinématique en L5/S1 pour lequel le centre instantané de rotation se révèle être trop antérieur. A ce jour, de nombreuses équipes se mobilisent pour tenter de dégager d’éventuelles corrélations entre une localisation anormale des centres instantanés de rotation après instrumentation, et une dégradation des disques adjacents à la fusion. Enfin, pour mieux appréhender les mécanismes de compensation, des études in vitro ont été menées. Ces études ont permis de mesurer pour chaque unité fonctionnelle les amplitudes de mouvement sous charge de Flexion/Extension, de Torsion ou d’inclinaison latérale. A titre d’exemple, la répartition des mobilités vertébrales lombaires en Flexion est présentée en figure 5. Ainsi en lombaire, la moitié de la mobilité est assurée par les unités fonctionnelles L4/L5 et L5/S1. En conséquence, le patient peut perdre la moitié de la mobilité du rachis lombaire lorsque ces deux segments vertébraux sont fusionnés. Pour réaliser des mouvements de la vie quotidienne, le patient pourra mettre en place des mouvements de compensation en augmentant les amplitudes de mobilité des segments non fusionnés. Ces compensations interviendront aux niveaux adjacents à la fusion et également au niveau de l’articulation coxofémorale. Qu’en est-il des pressions intra discales ? La simulation numérique peut nous apporter des éléments objectifs susceptibles d’enrichir nos connaissances. Ce modèle Figure 5 : Répartition des mobilités vertébrales lombaire en flexion – extension. La moitié de la mobilité du segment lombaire est assuré par les unités fonctionnelles L4/L5 et L5/S1. JOURNÉES DU PRIVÉ Ce qui semble peu cohérent avec l’intuition des cliniciens ou encore avec les observations cliniques après un recul postopératoire suffisant ! Ainsi toute instrumentation testée selon ce protocole n’aurait pas de répercussion sur les étages adjacents. Sans comparaison à un autre système d’ostéosynthèse, la conclusion serait sans appel : le matériel testé ne crée pas de trouble mécanique aux niveaux adjacents. Ceci peut sembler insidieux et suggère un défaut de protocole… VERS UNE MODIFICATION DU PROTOCOLE Figure 6 : Modèle tridimensionnel par Eléments Finis du rachis. Adaptation du segment lombaire pour simuler une dégradation discale en L3/L4. Trois instrumentations postérieures courtes sont modélisées : 1. Un montage rigide, en Inox, avec des tiges de 6.5 mm de diamètre, 2. Un montage flexible, en Titane avec des tiges de 3 mm de diamètre, 3. Une extension flexible au premier montage avec des tiges en PEEK de 5 mm de diamètre. éléments finis tridimensionnel du rachis (figure 6) a été largement validé pour vérifier la cohérence de ses réponses tant en termes de déplacements résultant des chargements, qu’en termes de contraintes dans les tissus ou les implants. Ce modèle a été adapté afin de simuler une dégradation discale en L3/L4, en diminuant les propriétés mécaniques de certains matériaux qui composent le disque ou encore en supprimant les éléments figurant les fibres discales. Trois instrumentations courtes ont été modélisées. 1. Un montage rigide, en Inox, avec des tiges de 6.5 mm de diamètre, 2. Un montage flexible, en Titane avec des tiges de 3 mm de diamètre, 3. Une extension flexible au premier montage avec des tiges en PEEK de 5 mm de diamètre. Tandis que le bassin est encastré, un couple de flexion pure de 8 Nm est appliqué sur le plateau supérieur de L1. La figure 7 représente les mobilités angulaires du segment lombaire instrumenté en postopératoire immédiat. Les rachis sains et déstabilisés sont utilisés en tant que segments de référence. La dégradation discale en L3/L4 se traduit par une augmentation de la mobilité angulaire de l’unité fonctionnelle. Par ailleurs, qu’elle soit rigide ou flexible, l’instrumentation courte réduit les mobilités angulaires de la même manière, soit une réduction de 70% par rapport au segment déstabilisé. Enfin, la tige de transition, dite Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 Ce dernier chapitre s’intéresse aux paramètres morphologiques qui peuvent intervenir dans le processus dégénératif. Le modèle éléments finis du segment vertébral lombaire a été adapté afin de mener une étude de sensibilité qui vise à analyser les effets des variations des para- Figure 8 : Tension des fibres discales pour un couple pur de flexion de 8Nm, appliqué sur le plateau supérieur de L1. Aucune différence significative entre instrumentation rigide, souple ou de transition. de “topping-off ”, rigidifie le segment sus-jacent à la fusion et se traduit par une perte modérée des mobilités angulaires de cet étage. Les étages non instrumentés ont conservé leur amplitude de mobilité initiale, à savoir celle du segment sain. Figure 7 : Mobilités angulaires en flexion, en postopératoire immédiat. Lors du suivi clinique du patient porteur de matériel d’ostéosynthèse, l’analyse quantitative des mobilités rachidiennes à partir de clichés dynamiques montre qu’à terme le patient tente de mobiliser son rachis comme s’il était sain. Cette fois, l’analyse des tensions des fibres des matrices discales laisse clairement apparaître des troubles mécaniques aux étages adjacents (figure 10). Notamment, plus le nombre d’unités saines dans le segment mobile est faible, plus les contraintes mécaniques augmentent dans les disques inter vertébraux. Ce constat peut amener à réfléchir quant à l’utilité d’étendre le montage avec un dispositif de transition. Il faut donc être très attentif aux protocoles utilisés pour l’analyse comportementale des implants rachidiens : un couple pur ne permettra pas de mettre en évidence les répercussions qu’un matériel peut avoir sur les étages adjacents. L’analyse des tensions des fibres des matrices discales est très intéressante car des surtensions peuvent être considérées comme indicateurs de risque de complications mécaniques. Curieusement, la figure 8 ne montre aucune différence significative entre instrumentation rigide et instrumentation souple! 32 En conséquence, une modification du protocole s’impose afin que l’amplitude globale de rotation du segment lombaire soit identique pour chaque instrumentation testée. Ainsi la valeur de rotation globale retenue est de 11.5°, obtenue pour le rachis sain pour un chargement de Flexion pure de 8 Nm. Pour ce faire il faut adapter le couple de chargement pour chaque configuration. En l’occurrence cela se traduit par une augmentation non négligeable du couple, passant de 8 Nm à 10 Nm pour un montage court et à 12.5 Nm pour le matériel de transition (figure 9). mètres morphologiques sur le comportement mécanique du rachis. Ont été étudiées notamment les hauteurs discales, la géométrie des apophyses articulaire ainsi que leur orientation. Cette étude a mis en évidence tant en flexion qu’en torsion une augmentation des contraintes mécaniques dans les disques pour des rachis présentant une orientation anormale des facettes articulaires (dissymétrie, jeu) ou pour des rachis montrant des hauteurs discales relativement faibles (figure 11). De tels rachis peuvent donc offrir un terrain propice à la dégénérescence discale. Figure 11 : Effets de variations de paramètres morphologiques sur le comportement mécanique du rachis, d’après Dupont P. et Al. Des hauteurs discales faibles, ou une orientation atypique des facettes articulaires provoquent une augmentation des contraintes mécaniques dans les disques intervertébraux. bibliographie même s’ils ne sont pas cités directement dans le texte. RÉFÉRENCES Figure 9 : Augmentation du couple pur de chargement du plateau supérieur de L1 afin que l’amplitude globale de rotation du segment lombaire soit identique pour chaque configuration, et égale à 11.5°. Ce couple passe de 8Nm à 9.9 Nm pour les instrumentations courtes (rigides ou souples), et à 12.4 Nm pour le matériel de transition. Figure 10 : Tension des fibres discales pour une rotation imposée de L1 de 11.5°. Des troubles mécaniques aux étages adjacents apparaissent : plus le nombre d’unités saines dans le segment mobile est faible, plus les contraintes mécaniques augmentent dans les disques inter vertébraux. CONCLUSION Pour le biomécanicien, le risque de dégénérescence discale postopératoire est réel, probablement plus lié à l’équilibre sagittal qu’au type d’intervention. Certes, l’arthrodèse provoque des modifications biomécaniques : augmentation de la mobilité des unités vertébrales adjacentes, aggravation des pressions discales des étages adjacents. L’effet délétère est d’autant plus grand que l’instrumentation est étendue. Néanmoins, le déséquilibre sagittal est vraisemblablement un facteur favorisant la dégénérescence discale postopératoire. Les conditions de nocivité minimale des efforts appliqués aux disques intervertébraux d’un sujet sont réunies lorsque l’enLe Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 semble spino-pelvien tend vers sa position d’épargne. Alors, tout traitement ne permettant pas le respect d’un équilibre économique, ou engendrant un trouble postural postopératoire peut conduire à des dysfonctionnements ponctuels ou chroniques. Cette anomalie de l’équilibre sagittal peut à terme être responsable, totalement ou en partie, de l’échec du traitement chirurgical. La morphologie des disques intervertébraux, ainsi que celles des apophyses articulaires sont des éléments influents dans le processus dégénératif. Ils peuvent induire une précontrainte discale importante, facteur aggravant dans la dégradation des lamelles fibreuses de l’annulus discal externe. Enfin, la dégénérescence discale peut trouver d’autres origines que des troubles mécaniques. L’étude de l’interaction entre le comportement osmotico-mécanique du disque intervertébral et le transport et le métabolisme de ses nutriments pourrait apporter dans les prochaines années un éclairage particulièrement utile dans la compréhension des effets à long terme de l’insuffisance chronique de la nutrition cellulaire sur l’altération des propriétés mécaniques du disque intervertébral. ■ Remerciements Cet article repose sur la lecture et l’analyse globale de différentes publications antérieures, de mémoires de thèses, ou de communications en congrès. Ces matériels sont recensés dans la rubrique 33 • AKAMARU T, KAWAHARA N, TIM YOON S, et al.: Adjacent segment motion after a simulated lumbar fusion in different sagittal alignments: A biomechanical analysis. Spine. 2003 Jul 15;28(14):1560-6 • BERTHONNAUD E, DIMNET J, ROUSSOULY P, LABELLE H. : Analysis of the sagittal balance of the spine and pelvis using shape and orientation. 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Outre la morbidité du site donneur, l’utilisation des plaques d’arthrodèse, qui débordent en avant, peuvent entrainer des conflits avec l’axe aéro-digestif, source de dysphagies. Le système de cage cervicale Prevail® (Medtronic™) est associé à une greffe mise à l’interieure de la cage. Celle-çi peut être constituée d’un substitut osseux. LA CAGE Elle se compose d’un système de cage-plaque en PEEK (figure 1) Figure 2 : Réalisation des chanfreins. avec deux cavités permettant la mise en place d’une greffe. A l’intérieur deux orifices sont percés permettant la mise en place de deux vis en titane qui vont verrouiller la cage. Le verrouillage se faisant par deux fils en nitinol. INDICATIONS Tous les gestes nécessitant une discectomie et une stabilisation peuvent utiliser cette cage. Il s’agit en pathologie traumatique de l’entorse grave et en pathologie dégénérative de la hernie discale et de l’uncodiscarthrose. TECHNIQUE Connectez-vous à votre site internet le-rachis.com Une banque de données de plus de 2000 articles Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 Figure 1 : La cage PEEK PREVAIL. 34 La technique chirurgicale est tout a fait classique et ne demande aucune adaptation particulière. Après la discectomie et la somatotomie dorsale on réalise l’exérèse du ligament longitudinal dorsal qui permet d’effectuer une décompression radiculo-médullaire satisfaisante. On réalise l’ouverture de l’espace discal permettant une ouverture des foramens intervertébraux. L’emplacement de la cage est réalisé par la confection de deux chanfreins au niveau des rebords antérieurs des corps vertébraux sus et sous-jacents.