dégénérescence des segments adjacents suite à une

JOURNÉES DU PRIVÉ
Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 30
L'ostéosynthèse vertébrale
est une technique chirurgi-
cale 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 adja-
cents à une fusion est interprétée
comme une complication tardive
de la fusion rachidienne, et notam-
ment 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 dégéné-
rescence discale peut être associée
à un trouble d’ordre mécanique.
Ce trouble peut avoir plusieurs ori-
gines liées à des charges impor-
tantes distribuées sur chaque unité
fonctionnelle vertébrale, des pres-
sions intra discales excessives, un
défaut de posture, une cinéma-
tique 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 effec-
tue en permanence des petits mou-
vements de rééquilibrage afin de
maintenir la projection de son cen-
tre de masse à l’intérieur d’un
polygone de sustentation et d’as-
surer 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 anté-
ropostérieur.
• Dans le plan frontal grâce à un
système de haubans musculaires
tendus entre la colonne vertébrale
et les ceintures scapulaires et pel-
viennes.
• Dans le plan horizontal avec
mise en jeu des muscles rotateurs
internes et externes,
• Dans le plan sagittal avec mise
en jeu des muscles antéroposté-
rieurs.
Chez le sujet en position érigée,
chaque unité fonctionnelle rachi-
dienne est en permanence sou-
mise à des efforts, générateurs
de sollicitations mécaniques :
• Des efforts statiques, de com-
pression et de cisaillement, liés à
l'action de la pesanteur, et prove-
nant du poids des segments sus-
jacents au segment étudié,
• Des efforts dynamiques qui
peuvent s'ajouter aux précédents
à l'occasion de l'exécution des
actes courants de la vie quoti-
dienne, des mouvements, etc.
En statique, à chaque étage verté-
bral existe un équilibre entre le
poids du segment corporel sus-
jacent, les charges de compres-
sion et de cisaillement des disques
intervertébraux, les efforts mus-
culaires 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 abdomi-
nale.
Seuls les premiers seront rete-
nus.
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 dom-
mageable 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 condi-
tions le rachis est soumis essentiel-
lement à une compression axiale.
En revanche, pour les unités fonc-
tionnelles vertébrales inférieures,
l’équilibre du rachis fait apparaître
une augmentation des charges de
compression du disque interverté-
bral ainsi qu’une composante de
cisaillement, augmentant avec
l’inclinaison du disque. Lorsque
des troubles posturaux survien-
nent, déportant la ligne de gravité
vers l’avant de dix millimètres par
exemple, la transmission des
charges dans le rachis est modi-
fiée. Le moment de flexion généré
croît, pouvant même devenir
excessif, et des mécanismes com-
pensatoires complexes sont mis en
place, surtout au niveau du sys-
tème musculo-ligamentaire, afin
de retrouver un équilibre stable.
En conséquence, les muscles para
vertébraux interviennent d’avan-
tage (+60% par rapport à l’équili-
bre 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 dys-
fonctionnements ponctuels ou
chroniques. Lorsque cette situa-
tion 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’équili-
bre sagittal persistante en post-
opératoire peut être responsable
totalement ou en partie de l’échec
du traitement chirurgical : tout
traitement ne permettant pas la
restauration d’un équilibre éco-
nomique, 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
Plusieurs auteurs [LEGAYE,
DUVAL BEAUPERE, ROUS-
SOULY, …] ont recherché les
paramètres qui permettent d’ap-
précier sur le plan quantitatif cet
équilibre sagittal, et ont reconnu
l’importance de considérer l’in-
cidence 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 méca-
nismes de compensation suscep-
tibles d’intervenir en cas d’ano-
malie 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 aug-
mente, le corps bascule vers
l’avant et le sujet doit augmenter
sa lordose s’il veut ramener sa
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
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 verté-
brales 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, dépor-
tant 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 mus-
culo-ligamentaire, afin de retrouver un équilibre stable. Une fatigue musculaire s’installe.

Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 31
ligne de gravité à l’intérieur du
polygone de sustentation. A l’in-
verse, lorsque la pente sacrée
diminue, le corps bascule vers
l’arrière, et conduira le patient à
réduire sa lordose dans un pro-
cessus 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 méca-
niques 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 popu-
lation 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 harmo-
nieuses.
Enfin les colonnes vertébrales
hyper lordosées mais harmo-
nieuses sont regroupées en un
quatrième type.
Considérons un paramètre pel-
vien particulier : l’incidence pel-
vienne. Il s’agit d’un paramètre
morphologique spécifique à un
patient donné.
Ce paramètre permet de regrou-
per 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 instrumen-
tation fixant une faible lordose
sans modification de l’orienta-
tion du socle pelvien peut
induire un trouble postural per-
manent.
En d’autres termes, les dos les
plus rectilignes sont les moins
tolérants. Par ailleurs, une inci-
dence moyenne ou faiblement
élevée peut procurer une possi-
bilité plus importante de com-
pensation des problèmes de dés-
équilibre eu égard peut être au
nombre de vertèbre impliquées
dans le segment lordosé.
ANALYSE DU MOUVEMENT
ET DES PRESSIONS INTRA
DISCALES
L’analyse quantitative des mobili-
tés rachidiennes peut renseigner
sur une éventuelle anomalie ciné-
matique. D'un point de vue cli-
nique, le concept d'instabilité seg-
mentaire du rachis peut être asso-
cié à des anomalies cinématiques
intervertébrales.
Ces anomalies peuvent se traduire
par des rotations intervertébrales
anormalement faibles ou anorma-
lement élevées (supérieures à
15°), par des translations antéro-
postérieures importantes (supé-
rieures à 3 mm) traduisant l'action
des forces de cisaillement non
absorbées par les disques interver-
tébraux,… ou encore par une loca-
lisation atypique du centre instan-
tané de rotation des unités verté-
brales. La figure 4 suggère un
trouble cinématique en L5/S1
pour lequel le centre instantané de
rotation se révèle être trop anté-
rieur.
A ce jour, de nombreuses équipes
se mobilisent pour tenter de déga-
ger d’éventuelles corrélations
entre une localisation anormale
des centres instantanés de rota-
tion après instrumentation, et une
dégradation des disques adja-
cents à la fusion.
Enfin, pour mieux appréhender
les mécanismes de compensa-
tion, 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 consé-
quence, le patient peut perdre la
moitié de la mobilité du rachis
lombaire lorsque ces deux seg-
ments vertébraux sont fusionnés.
Pour réaliser des mouvements de
la vie quotidienne, le patient
pourra mettre en place des mou-
vements de compensation en
augmentant les amplitudes de
mobilité des segments non
fusionnés. Ces compensations
interviendront aux niveaux adja-
cents à la fusion et également au
niveau de l’articulation coxo-
fémorale. Qu’en est-il des pres-
sions intra discales ?
La simulation numérique peut
nous apporter des éléments
objectifs susceptibles d’enrichir
nos connaissances. Ce modèle
Figure 2 : Relation d’inter dépendance entre incidence, pente sacrée, lordose et cyphose (d’après LEGAYE J., DUVAL-BEAUPERE
G., et Al).
Figure 4 : Une localisation atypique des centres instantanés de rotation des unités ver-
tébrales 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.
Figure 3 : Quatre types de profils rachidiens pour une population normale asymptomatique selon ROUSSOULY et Al.
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
éléments finis tridimensionnel
du rachis (figure 6) a été large-
ment 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 pro-
priétés 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 dia-
mètre,
2. Un montage flexible, en
Titane avec des tiges de 3 mm de
diamètre,
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 instrumen-
tés ont conservé leur amplitude
de mobilité initiale, à savoir celle
du segment sain.
L’analyse des tensions des fibres
des matrices discales est très
intéressante car des surtensions
peuvent être considérées comme
indicateurs de risque de compli-
cations mécaniques.
Curieusement, la figure 8 ne
montre aucune différence signi-
ficative entre instrumentation
rigide et instrumentation souple!
Ce qui semble peu cohérent avec
l’intuition des cliniciens ou
encore avec les observations cli-
niques après un recul postopéra-
toire suffisant !
Ainsi toute instrumentation tes-
tée 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 proto-
cole…
VERS UNE MODIFICATION DU
PROTOCOLE
Lors du suivi clinique du patient
porteur de matériel d’ostéosyn-
thèse, 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 augmen-
tent dans les disques inter verté-
braux. Ce constat peut amener à
réfléchir quant à l’utilité d’éten-
dre le montage avec un dispositif
de transition. Il faut donc être
très attentif aux protocoles utili-
sés pour l’analyse comportemen-
tale des implants rachidiens : un
couple pur ne permettra pas de
mettre en évidence les répercus-
sions qu’un matériel peut avoir
sur les étages adjacents.
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-
En conséquence, une modifica-
tion du protocole s’impose afin
que l’amplitude globale de rota-
tion du segment lombaire soit
identique pour chaque instru-
mentation 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’oc-
currence 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 notam-
ment les hauteurs discales, la
géométrie des apophyses articu-
laire 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 (dissymé-
trie, jeu) ou pour des rachis mon-
trant des hauteurs discales relati-
vement faibles (figure 11).
De tels rachis peuvent donc
offrir un terrain propice à la
dégénérescence discale.
3. Une extension flexible au pre-
mier 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 mobi-
lités angulaires du segment lom-
baire instrumenté en postopéra-
toire 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 angu-
laires de la même manière, soit
une réduction de 70% par rap-
port au segment déstabilisé.
Enfin, la tige de transition, dite
Figure 6 : Modèle tridimensionnel par Eléments Finis du rachis. Adaptation du segment lombaire pour simuler une dégradation dis-
cale 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.
Figure 8 : Tension des fibres discales pour un couple pur de flexion de 8Nm, appliqué sur le plateau supérieur de L1. Aucune dif-
férence significative entre instrumentation rigide, souple ou de transition.
Figure 7 : Mobilités angulaires en flexion, en postopératoire immédiat.
Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 32

Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 33
CONCLUSION
Pour le biomécanicien, le risque
de dégénérescence discale post-
opératoire est réel, probablement
plus lié à l’équilibre sagittal
qu’au type d’intervention.
Certes, l’arthrodèse provoque
des modifications bioméca-
niques : augmentation de la
mobilité des unités vertébrales
adjacentes, aggravation des pres-
sions discales des étages adja-
cents. L’effet délétère est d’au-
tant plus grand que l’instrumen-
tation est étendue.
Néanmoins, le déséquilibre
sagittal est vraisemblablement
un facteur favorisant la dégéné-
rescence discale postopératoire.
Les conditions de nocivité mini-
male des efforts appliqués aux
disques intervertébraux d’un
sujet sont réunies lorsque l’en-
semble spino-pelvien tend vers
sa position d’épargne. Alors,
tout traitement ne permettant pas
le respect d’un équilibre écono-
mique, ou engendrant un trouble
postural postopératoire peut
conduire à des dysfonctionne-
ments ponctuels ou chroniques.
Cette anomalie de l’équilibre
sagittal peut à terme être respon-
sable, totalement ou en partie, de
l’échec du traitement chirurgi-
cal.
La morphologie des disques
intervertébraux, ainsi que celles
des apophyses articulaires sont
des éléments influents dans le
processus dégénératif. Ils peu-
vent induire une précontrainte
discale importante, facteur
aggravant dans la dégradation
des lamelles fibreuses de l’annu-
lus discal externe.
Enfin, la dégénérescence discale
peut trouver d’autres origines
que des troubles mécaniques.
L’étude de l’interaction entre le
comportement osmotico-méca-
nique 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 cellu-
laire sur l’altération des proprié-
tés mécaniques du disque inter-
vertébral. ■
Remerciements
Cet article repose sur la lecture et
l’analyse globale de différentes
publications antérieures, de
mémoires de thèses, ou de commu-
nications en congrès. Ces matériels
sont recensés dans la rubrique
bibliographie même s’ils ne sont
pas cités directement dans le texte.
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Figure 9 : Augmentation du couple pur de chargement du plateau supérieur de L1 afin que l’amplitude globale de rotation du seg-
ment lombaire soit identique pour chaque configuration, et égale à 11.5°. Ce couple passe de 8Nm à 9.9 Nm pour les instrumenta-
tions courtes (rigides ou souples), et à 12.4 Nm pour le matériel de transition.
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.
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
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a décompression trans-dis-
cale (1) associée à une
arthrodèse intersomatique
avec un greffon iliaque auto-
logue est considérée comme le
“gold standard” biologique et
biomécanique dans la recons-
truction cervicale antérieure.
Cependant la morbidité (2) (lésion
du nerf cutané latéral de la
cuisse, sepsis, hématome…) au
niveau du site donneur vient
péjorer le résultat le plus souvent
satisfaisant de la décompression
radiculaire et ou médullaire.
Outre la morbidité du site don-
neur, 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 asso-
cié à une greffe mise à l’inter-
ieure 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)
avec deux cavités permettant la
mise en place d’une greffe. A
l’intérieur deux orifices sont per-
cés permettant la mise en place
de deux vis en titane qui vont ver-
rouiller 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 trauma-
tique de l’entorse grave et en
pathologie dégénérative de la
hernie discale et de l’uncodiscar-
throse.
TECHNIQUE
La technique chirurgicale est tout
a fait classique et ne demande
aucune adaptation particulière.
Après la discectomie et la soma-
totomie dorsale on réalise l’exé-
rèse du ligament longitudinal
dorsal qui permet d’effectuer une
décompression radiculo-médul-
laire satisfaisante.
On réalise l’ouverture de l’es-
pace discal permettant une
ouverture des foramens interver-
tébraux.
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.
UNE NOUVELLE TECHNIQUE
D’ARTHRODÈSE INTER-SOMATIQUE CERVICALE :
LA CAGE PEEK PREVAIL
HERVE VOUAILLAT
CENTRE OSTÉO-ARTICULAIRE DES CÈDRES, CLINIQUE DES CÈDRES, 21 RUE ALBERT LONDRES – 38130 ECHIROLLES
Figure 1 : La cage PEEK PREVAIL.
Figure 2 : Réalisation des chanfreins.
Le Rachis - N° 5 - Octobre-Novembre 2010 34
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