* Membre de l’Académie nationale de médecine, e-mail : jean.dubousset@wanadoo.fr ** Ingénieurs de biomécanique de l’ENSAM — Paris Tirés à part : Professeur Jean Dubousset, même adresse

Article reçu le 11 octobre 2011, accepté le 14 novembre 2011

INTRODUCTION

Depuis toujours que ce soit, pour l’enseignement, la recherche ou la préparation des actes thérapeutiques concernant le corps humain, des modèles ont été utilisés et la colonne vertébrale ne fait pas exception, en particulier dans les domaines anatomiques, physiologiques ou biomécaniques. Des modèles plus ou moins simplifiés plus ou moins mathématiques (A.Schultz [1], Panjabi [2], …) ont été utilisés et publiés. Il y a en effet plusieurs types de modélisation mais nous n’en retiendrons que trois pour le rachis : morphologique, mécanique, et fonctionnelle.

LA MODÉLISATION MORPHOLOGIQUE DU RACHIS

Lors des études de l’anatomie humaine, tous les étudiants en médecine ont travaillé sur des squelettes de colonne soit sous forme de spécimens normaux ou pathologiques, soit reconstruits plus ou moins fidèlement avec os réels, ou à l’aide de moulages des vertèbres normales ou pathologiques réalisés avec divers matériaux. Ces modè- les restent utiles pour revisiter l’anatomie squelettique dans diverses occasions de l’exercice médical. Ils ont l’avantage, sur les radiographies ou les schémas livresques, de montrer la réalité des trois dimensions.

Avant l’ère de la radiographie (Rœntgen 28 déc. 1895), tout le monde pensait 3D, y compris pour la colonne vertébrale, dont on appréciait la déformation grâce à d’ingénieuses machines permettant, par exemple, de reconstruire la surface corporelle avec des schémas de face de profil et des coupes horizontales, cyrtométries thoraciques et abdomino-pelviennes en quelque sorte ancêtres du scanner.

Avec l’apparition de la radiographie cet aspect 3D fut rapidement oublié tant il apparaissait « miraculeux de voir » l’intérieur du corps, en l’occurrence le squelette.

En réalité ces radiographies ne montraient que l’ombre projetée sur un seul plan de la réalité 3D. Pour ce qui est du rachis (qui est en fait un empilement harmonieux des pièces osseuses vertébrales réalisant une succession de cyphose et lordose vues sur le plan sagittal, alors qu’il est parfaitement rectiligne s’il est vu de face), cet oubli du 3D fut à l’origine d’erreurs dans la thérapeutique y compris lors des instrumentations comme celle de Paul Harrington qui en 1960 avait révolutionné la chirurgie vertébrale, mais qui ignorait complètement le plan sagittal et tout autant l’horizontal.

Dès 1972, l’étude des « bassins obliques » paralytiques m’a ouvert les yeux sur le 3D, mot que l’on ne prononçait quasiment jamais à l’époque, en raison de la distorsion qui existait entre ce que montrait la radiographie et l’aspect clinique du patient [7].

Ce fut une des raisons majeures qui nous ont personnellement poussé dès 1976, grâce à Henry Graf (alors chef de clinique strasbourgeois) à rencontrer un ingénieur en informatique, Jérome Hecquet travaillant alors au Centre Pompidou, qui a permis de reconstruire en 3D la colonne vertébrale normale et scoliotique à partir de deux radiographies orthogonales (face et profil) successives du rachis debout, en donnant à chaque vertèbre une maquette identique, recalée dans l’espace conformément à la projection radiographique (Fig. 1). Ceci à l’époque nous avait permis de visualiser clairement dans l’espace et de mieux comprendre le phénomène du vilebrequin qui survenait en cas d’arthrodèses postérieures précoces sur un rachis en croissance, que j’avais décrit quelques années avant. De même la reconstruction 3D permettait d’établir un pronostic des scolioses du petit enfant dès le premier examen, [3] mais qui s’avérait difficile à faire comprendre aux collègues, tant était ancrée dans la pratique, la simple vue radiographique, et tant leur paraissaient complexe ces reconstructions.

Le développement de l’informatique dès le début des années 80 allait alors accélérer le rythme de la modélisation des diverses parties du corps humain, d’autant que l’apparition de la tomodensitométrie donc du scanner donnant des coupes horizontales plus ou moins jointives en facilitait l’obtention, au prix malheureusement d’une irradiation cumulée importante pour des reconstructions un peu étendues, donc nécessitant beaucoup de coupes. Les reconstructions à partir de radiographies orthogonales devenaient de plus en plus rigoureuses en particulier au laboratoire de Biomécanique de l’ENSAM, sous l’impulsion de François Lavaste et de Wafa Skalli, grâce à la méthode des éléments finis [4, 5] et grâce à la validation permanente des résultats obtenus, par les incessants va et vient avec les éprouvettes venant des pièces anatomiques mesurées directement. C’est ainsi que toutes les pièces squelettiques normales et pathologiques en particulier de la colonne vertébrale furent méticuleusement étudiées en 3D, et ensuite rapportées à leur projection radiographique, ce qui a permis entre autres de mesurer précisément la rotation vertébrale 3D des scolioses et donc d’aboutir à des logiciels donnant une reconstruction 3D surfacique extrêmement fiable du rachis normal et pathologique à partir de cette paire de radiographies orthogonales réalisées dans une cabine spéciale à support tournant dite de stéréographie. Ces reconstructions se sont bien sûr étendues à tout le squelette, membres inférieurs et supérieurs, bassin.

En effet le maître mot directeur était que ces reconstructions étaient « personnalisées » et donc représentaient l’individu en question et n’étaient plus des reconstructions à partir de « maquettes virtuelles plus ou moins simplifiées ».

C’est pourquoi, lorsque Georges Charpak est venu nous présenter à Saint Vincent de Paul son détecteur de Rayons X, et que nous avons pu avec Gabriel Kalifa vérifier la diminution considérable des doses d’irradiation nécessaires pour l’obtention des images comparées aux appareils classiques [8]. Tout était donc prêt pour que la création du système EOS s’impose à notre équipe de physiciens, bio-mécaniciens et cliniciens [9], pour obtenir ainsi une reconstruction numérisée 3D surfacique personnalisée de l’ensemble du squelette de l’individu en question en position fonctionnelle debout, après un seul balayage simultané face et profil de la tête aux pieds, avec une très basse dose de radiations X.

olumes), c/v , plane b/maquette , aits (a/tr :

ofil pr et face es v successi r adios deux sur r epérés 1978.

points de de partir Hecquet à ome Jér de simplifiée ’’ 3D achis R ‘ ‘ giciel econstruction lo R le — 1.

selon ig.

F

Une imagerie nouvelle jamais vue auparavant fut alors possible, comme la vue globale d’en haut du squelette entier, ou partielle (obtenue facilement en jouant avec l’ordinateur) du bassin, du rachis (Fig. 2a et b), des genoux, etc. donnant des renseignements précieux sur le plan horizontal en état de fonction.

Fig. 2. — Reconstruction 3D avec le système EOS, a /de l’ensemble du squelette debout avec la vue unique d’en haut ., b/de la région lombo- sacrée, a partir des 2 clichés simultanés face et profil EOS.

Confronté aux reconstructions scanner surfaciques, la concordance et la fiabilité s’est avérée parfaite avec l’énorme avantage de la réduction considérable des doses (860 fois moins pour un rachis entier comparée au scanner) (Fig. 3), mais aussi de la position debout fonctionnelle de la station érigée permettant d’appréhender l’effet de la gravité.

Enfin il existe des logiciels de reconstructions 3D personnalisées transmettant les données à un poste de fabrication de maquettes réelles en mousse de plastique donnant l’équivalent d’une pièce squelettique correspondant au cas présenté, pouvant être utile au chirurgien dans quelques cas particulièrement difficiles à comprendre sur les reconstructions virtuelles.

Fig. 3. — Reconstruction 3D rachidienne à partir d’une multitudes de coupes scanner plus ou moins jointives : doses d’irradiation 860 fois plus importante qu’avec le système EOS.

LA MODÉLISATION MÉCANIQUE DE L’ORGANE RACHIDIEN

À partir des données mécaniques recueillies en premier lieu par l’étude des éprouvettes de segments rachidiens complets et isolés, avec muscles, ligaments, disques, etc., étudiés in vitro , mais aussi à partir des mesures cliniques et/ou radiologiques dynamiques in vivo , des patients eux-mêmes examinés et mesurés dans diverses positions ou états (suspension, traction, inclinaisons latérales, flexion, extension, etc.), on réalise des maquettes de rachis mécaniques avec poutres, ressorts, jonctions segmentaires, etc., reproduisant dans leur amplitude et dans leur géométrie, les mouvements observés en clinique (Fig. 4).

Fig. 4.

a. modélisation morphologique b. modélisation 3D mécanique du rachis.

Ceci va permettre de modéliser le rachis dans ses composantes dynamiques avec possibilités de faire varier les contraintes et, en fait, les valeurs de chacun des composants, souplesse discale, extensibilité ligamentaire, amplitudes articulaires, force musculaire, etc. ou bien au contraire raideur discale ou des tissus mous entourant le squelette.

La confrontation aux examens et enregistrements cliniques et radiographiques permet ainsi de valider le modèle, et de pouvoir l’exploiter dans toutes les situations possibles. Ce faisant les différentes situations physiologiques et pathologiques vont pouvoir être interprétées et mesurées, et l’on pourra en tirer des indications pré- cieuses pour l’orientation voire la technique à utiliser au cours de la thérapeutique.

LA MODÉLISATION FONCTIONNELLE DE LA COLONNE VERTÉBRALE

C’est grâce encore aux développements des outils informatiques que cette modélisation est devenue de plus en plus conviviale, non invasive et précise à la fois, et qu’elle apporte de plus en plus d’informations utiles non seulement pour le physiologiste mais aussi pour le praticien.

Elle avait commencé, là encore, il y a bien longtemps et l’on se souvient des études des mouvements de l’homme, de la marche et de la course de Marey, ou plus récemment des études de Ducroquet dans sa chambre d’examen dont toutes les parois étaient recouvertes de miroirs réfléchissants, permettant d’observer et d’appréhender le mouvement spontané ou commandé dans les trois plans de l’espace simultanément.

Les méthodes actuelles utilisent des sphères réfléchissantes collées sur des points de repères précis et stratégiques du revêtement cutané, permettant à plusieurs caméras infra rouge, coordonnées par ordinateur, d’enregistrer et de mesurer les déplacements dans les trois dimensions simultanément, et de manière reproductible grâce au calibrage rigoureux des champs et des composantes explorées (Fig. 5 a).

Avec une telle technologie 3D personnalisée, on se trouve non plus dans le théorique mais dans le pratique, directement utilisable pour analyser, planifier, réaliser, contrôler le traitement proposé à l’individu et son résultat.

Chacun des différents types de reconstruction peut être utilisé isolément selon l’élément que l’on recherche, par exemple localisation de l’axe de gravité sagittal en fonction de la situation cypho-lordotique du patient et de son angle d’incidence pelvienne où la modélisation morphologique pourra être suffisante.

Mais le plus souvent on sera amené à comparer et utiliser chez le même patient les trois types de modélisation. En effet les applications pratiques de cette modélisation personnalisée 3D du rachis sont multiples :

— d’abord au niveau de l’enseignement de l’anatomie, de la physiologie, de la pathologie de l’étude de la croissance comme de suivre son évolution au cours du vieillissement, en étant capable de faire des mesures fiables de manière répétitives.

Ceci amène à une nouvelle classification en 3D des déformations rachidiennes en particulier en ce qui concerne les scolioses et cyphoscolioses avec l’étude de ce qu’apporte la vue volumétrique du dessus (vue d’oiseau) ou du dessous(vue de l’escargot). Les résultats de ces études ne sont pas encore complètement finalisés et consensuels entre les différentes équipes travaillant de par le monde sur le sujet. Par exemple la mesure quantitative des résultats en 3D rapportée récemment à l’Académie par la méthode de la quantification des vecteurs vertébraux est beaucoup plus exacte et fiable que celle donnée par la simple mesure de l’angle de Cobb.

— compréhension de la posture globale de l’individu menant à la description et la classification posturale des êtres humains selon la morphologie tridimensionnelle de leur axe vertébral, particulièrement importante dans le plan sagittal en relation avec l’anatomie propre du bassin. D’où la description des paramètres pelviens anatomiques (en particulier l’angle de l’incidence pelvienne décrit par Mme Duval Beaupère) conditionnant l‘équilibre postural cypho-lordotique rachidien caractéristique de l’espèce humaine.

Il en est découlé des classifications des diverses postures sagittales des individus permettant de déceler celles ayant un plus grand risque de décompensation au fil du temps mais aussi permettant de découvrir les phénomènes de compensation spontanés qui peuvent corriger bien des cas.

 

Par exemple les reconstructions purement morphologiques 3D effectuées, à un an d’intervalle sur le même individu vieillissant, démontrent clairement que l’installation de la rétroversion pelvienne est le primum movens de la dégradation du rachis (ce que les radiographies simples voire même les reconstructions à partir du scanner couché ne pouvaient montrer). Le corollaire de ces constatations étant la mise en œuvre des thérapeutiques de physiothérapie et d’orthèses capables de retarder ou éviter le recours à la chirurgie.

Ces éléments sont aussi à la base des stratégies chirurgicales de correction des déformations rachidiennes congénitales ou acquises aussi bien chez l’enfant en croissance, que chez l’adulte tout au long de sa vie ou lors des phénomènes dégénératifs accompagnant le vieillissement. De même la compréhension des phénomènes de compensation par le bassin des désordres rachidiens et leur état pré et post opératoire peuvent enfin être analysés (Fig. 5 b).

— compréhension et simulation de la biomécanique des chocs et des lésions traumatiques rachidiennes en pratique automobile (par exemple au niveau du rachis cervical) et des mécanismes capables de les prévenir, Air bag etc. Il va de soi que c’est une demande permanente des bureaux d’études des ingénieurs en construction d’automobiles dans leur recherche des moyens de prévention de ces désordres.

— reconstruction, classification et mesure des déformations squelettiques de la cage thoracique avec une particulière attention sur la composante rachidienne pénétrante plus ou moins marquée dans le plan horizontal (index de pénétration) [13] et ses conséquences sur les volumes, les compressions éventuelles temporaires ou permanentes trachéo-bronchiques et la mécanique ventilatoire.

Les corrélations avec les épreuves fonctionnelles respiratoires, les index de scintigraphie pulmonaires, et les reconstructions 3D IRM sont évidemment très intéressantes.

— évaluation biomécanique du risque évolutif d’une scoliose idiopathique au premier examen. C’est un des résultats récent de ces modélisations 3D permettant d’établir un index de sévérité et de risque de progression fiable à 92 % dès le premier examen basé sur six caractéristiques 3D obtenues et mesurées après reconstruction 3D avec le système EOS (angle de Cobb, rotation axiale apicale, rotations intervertébrale axiales au niveau des jonctions proximale et distale, index lordotique, index de torsion). Coté de 0 à 1 si l’indice est en-dessous de 0,4 aucune évolutivité à prévoir, si au-dessus de 0,6 la scoliose sera évolutive et progressive et nécessitera traitement par corset ou chirurgie [11].

— planification et simulation préopératoire des interventions chirurgicales de correction des déformations rachidiennes de toutes natures(traumatiques, congénitales, paralytiques, dégénératives, …). Ce facteur est particulièrement intéressant dans la chirurgie des scolioses et cypho-scolioses [5], en permettant le meilleur choix du niveau, du nombre, et de la valeur des ostéotomies correctrices et des niveaux d’implantation des matériels d’ostéosynthèse.

b a Fig. 5. — a. modélisation 3D fonctionnelle du rachis en flexion grâce aux reconstructions obtenues par la capture 3D vidéo du positionnement spatial des repères cutanés réfléchissants (b) lors du mouvement.

Autrefois cette planification était réalisée sur des calques radiographiques simulant les corrections angulaires désirées, parfois par des représentations schématiques grossières des os en question reproduits en pâte à modeler sur lesquels les« ostéotomies »simulées étaient effectuées et surtout par l’imagination des chirurgiens se représentant la déformation dans l’espace du segment à corriger.

Actuellement les reconstructions 3D effectuées dans l’ordinateur [12] nous donnent la déformation réelle du segment à corriger et son implantation au niveau de l’ensemble rachidien de sorte que l’on peut simuler les niveaux le nombre et l’amplitude des ostéotomies ou des réalignements nécessaires et estimer le résultat final lorsque le patient sera remis debout.

Dans certains cas particulièrement complexes la reconstruction 3D peut être couplée à une plate forme de reconstruction modelant en cire, plastique ou autre matériau permettant d’obtenir un véritable positif (pièce anatomique inerte) de la déformation — tout ceci peut être parfaitement réalisé à partir d’un seul examen EOS grâce aux logiciels adéquats.

— n’oublions pas non plus combien cette reconstruction 3D peut être utile en per-opératoire pour la réalisation pratique de ces actes chirurgicaux grâce aux progrès considérables de la navigation chirurgicale [6, 10], utilisant une imagerie per opératoire de moins en moins invasive et permettant de guider par l’ordina- teur le geste du chirurgien aussi bien pour l’insertion du matériel que pour le contrôle de l’amplitude des corrections.

CONCLUSION

La modélisation de la colonne vertébrale et du rachis atteint maintenant (grâce à la révolution informatique) un degré très élevé de fiabilité et de personnalisation dans ses versions géométrique, mécanique et fonctionnelle, en utilisant des outils de moins en moins invasifs, ce qui permet son extension en pratique journalière autant pour le diagnostic et le pronostic des altérations rachidiennes que pour la planification des actes chirurgicaux ou non et la mesure et appréciation des résultats.

En dehors de son intérêt évident pour toutes les formes d’enseignement, il faut reconnaître son intérêt majeur au niveau recherche et développement des laboratoires industriels dans la conception et la construction des implants ou prothèses chirurgicales et orthopédiques concernant le rachis.

Son importance n’est pas moins grande dans la compréhension et la prévention de la pathologie traumatiques secondaire aux chocs de diverses étiologies dont la pratique automobile par exemple.

Enfin, orientée initialement sur les segments squelettiques de l’organe rachidien, qui dans ses études dynamiques rendaient compte indirectement de l’état des tissus mous (disques, capsules articulaires, ligaments, muscles, et même moelle épinière) la modélisation s’étend maintenant directement à ces tissus mous grâce aux technologies modernes venant de l’IRM et (IRM de diffusion et tractographie), des échographes de dernière génération.

BIBLIOGRAPHIE [1] Schultz A.B., Larocca H, Galante J.A., Andriacchi T.F. — A study of geometrical relarionship in scoliotic spines. J. Biomech ., 1972, 5.409 , (an attempt at simulating scoliosis by a simple mathematical model).

[2] White III A.A., Panjabi M. M. — Clinical biomechanics of the Spine (Bibliographie) , 1 vol.,

Lippincott, 1978.

[3] Graf H., Hecquet J., Dubousset J. — Approche tridimensionnelle des déformations rachidiennes. Application à l’étude du pronostic des scolioses infantiles. Rev. Chir. Orthop ., 1983, 69 , 407-416.

[4] Skalli W., Robin S., Lavaste F., Dubousset J. — A biomechanical analysis of short segment spinal fixation using a 3D geometrical and mechanial model. Spine, 1993, 18 , 536-545.

[5] Lafage V. — Simulation par modélisation de la correction tridimensionnelle des scolioses avec instrumentation selon la méthode des éléments finis. Thèse de Biomécanique ENSAM, 2002.

[6] Ghanem I., Hagnere F., Dubousset J., Watier B., Skalli W., Lavaste F. — Intra operative optoelectronic analysis of three dimensional vertebral displacement after CD rod rotation A preliminary report. Spine, 1997, 22 , 1913-21.

[7] Dubousset J. — Three dimensionnal analysis of scoliotic deformity Pediatric Spine — Weinstein New York Raven Press, 1 vol., 1994, 479-496.

[8] Kalifa G. Charpak G. et Coll — Evaluation of a new low dose digital X ray device : first dosimetric and clinical results in children.

Pediatric radiology , 1998, 28 , 557-561.

[9] Dubousset J., Charpak G., Dorion I., Skalli W., Lavaste F., Deguise J., Kalifa G., Ferey S. — Une nouvelle imagerie osteo articulaire basse dose en position debout : le système EOS.

Bull Acad Natle Med , 2005, 189 , no 2, 287-300.

[10] Stöcke U., Schaffer A., Konig B., Haas N.P. — Integrated navigation ; Preclinical evaluation and initial clinical experience. Unfall. Chirurg ., 2006, 109 , 925- 931.

[11] Drevelle X. — Analyse des mécanismes de progression de la scoliose idiopathique et développement d’un modèle en éléments finis de la prédiction de la progression des scolioses. Thèse ENSAM Paris Tech 2011.

[12] Steffen J.S. — Modélisation tridimensionnelle globale du squelette pour l’aide au diagnostic et à la prise en charge thérapeutique des pathologies rachidiennes affectant l’équilibre postural.

Thèse ENSAM Paris Tech 2011.

[13] Dubousset J., Wicart P.H, Pomero V., Barois A., Estournet B. — Spinal penetration index :

new three — dimensionnal quantified reference for lordo scoliosis and other spinal deformities.

J. Orthop Sci ., 2003, 8 , 41-49.

 

Bull. Acad. Natle Méd., 2011, 195, no 8, 1831-1842, séance du 22 novembre 2011