Étude du comportement poroélastique incompressible d’un disque intervertébral sous chargement externe

NMR imaging investigation of the incompressible poroelastic behavior of porcine intervertebral disc under external mechanical stress

¹ IRPHE, UMR 7342, CNRS, Marseille, France
ghiss@irphe.univ-mrs.fr ; olivier.boiron@centrale-marseille.fr ; Patrick.tropiano@univmed.fr
² LMS, Université de Sousse, Tunisie
zoubeir.tourki@eniso.rnu.tn
³ CRMBM, UMR 7339 CNRS, Aix-Marseille Université, Marseille, France
benoit.giannesini@univmed.fr
⁴ École Centrale Marseille, Marseille, France

Reçu : 6 Novembre 2013
Accepté : 13 Janvier 2014

Résumé

Le Disque InterVertébral (DIV) est un fibrocartilage hétérogène qui assure d’une part la mobilité du rachis et d’autre part la distribution des contraintes mécaniques entre les vertèbres. Ces deux propriétés principales sont liées à la fois au contenu hydrique et à la présence des protéoglycanes (PG) dans le DIV. Les contenus en eau et en PGs diminuent selon un processus naturel durant la vie. Ce processus dégénératif est dans certains cas accéléré et conduit à des maladies dégénératives. Plusieurs études [M. Alini, S.M. Eisenstein, K. Ito, C. Little, A. Kettler, K. Masuda, J. Melrose, J. Ralphs, I. Stokes, H.J. Wilke, Eur. Spine J. 17 (2008) 2–19; E.C. Bass, N.A. Duncan, J.S. Hariharan, J. Dusick, H.U. Bueff, J.C. Lotz, Spine (Phila. Pa. 1976) 22 (1997) 2867–2876; H. Ohshima, H. Tsuji, N. Hirano, H. Ishihara, Y. Katoh, H. Yamada, Spine (Phila. Pa. 1976) 14 (1989) 1234–1244; N.D. Panagiotacopulos, Spine (Phila. Pa. 1976) 12 (1987) 912–918; N.D. Panagiotacopulos, Spine (Phila. Pa. 1976) 12 (1987) 918–924] ont montré l’importance de la teneur en eau du DIV sur son comportement biomécanique. Le but de notre étude est de suivre, avec une méthode d’Imagerie de Résonance Magnétique (IRM), les variations de morphologie et d’hydratation sous un chargement mécanique. Les campagnes de mesure complétées par un post-traitement ont permis de reconstruire la déformation volumique du DIV et d’obtenir ainsi l’évolution de la porosité au cours du chargement. Les résultats ainsi obtenus sont conformes avec la littérature et le comportement retenu adhère parfaitement avec le cadre expérimental. Ce travail d’exploration de la viabilité discale permettra d’apporter des informations importantes dans la compréhension du comportement osmotico-mécanique du DIV.

Abstract

Intervertebral Disc (IVD) is an heterogeneous cartilage, that ensures rachis mobility and optimal stress redistribution between vertebrae. These two main properties are linked to the hydric content and the presence of proteoglycans (PG) which decline in a natural process throughout life. This degenerative process is in some case accelerated, leading to the Degenerative Disc Diseases (DDD) or troubles. Several studies [M. Alini, S.M. Eisenstein, K. Ito, C. Little, A. Kettler, K. Masuda, J. Melrose, J. Ralphs, I. Stokes, H.J. Wilke, Eur. Spine J. 17 (2008) 2–19; E.C. Bass, N.A. Duncan, J.S. Hariharan, J. Dusick, H.U. Bueff, J.C. Lotz, Spine (Phila. Pa. 1976) 22 (1997) 2867–2876; H. Ohshima, H. Tsuji, N. Hirano, H. Ishihara, Y. Katoh, H. Yamada, Spine (Phila. Pa. 1976) 14 (1989) 1234–1244; N.D. Panagiotacopulos, Spine (Phila. Pa. 1976) 12 (1987) 912–918; N.D. Panagiotacopulos, Spine (Phila. Pa. 1976) 12 (1987) 918–924] have shown the importance of the water content of the disc on its biomechanical behavior. Indeed, the variation of water content which is necessarily linked to a morphological change is a key factor of the viability of the IVD. So, the aim of our study was to follow the changes in both morphology and hydration of isolated porcine IVD under a mechanical stress using non-invasive magnetic resonance imaging methods. Our results are in good agreement with clinical observations. This work enables for the first time to bring information about mechanical behavior and viability of the IVD by measuring the variation of its porosity under compressive load.