Centre Européen de la Colonne Vertébrale

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Biomec Scoliose
Rotation & Torsion

1 - Biomécanique newtonienne classique de la scoliose et nouveau concept d'intégrité tensionnelle.

 

Jean Claude de Mauroy

Clinique du Parc - Lyon

 

Il faut bien distinguer la « colonne vertébrale » essentiellement osseuse et le « rachis », c’est à dire : colonne vertébrale + structure musculo-ligamentaire paravertébrale. 

 

1  - Rappel de la biomécanique newtonienne classique dans les Scolioses

Nous décrirons la biomécanique des scolioses de plus de 25° qui évoluent en mode linéaire.

- Effet balance. L’éloignement du corps vertébral apical de la courbure thoracique par rapport à la ligne de gravité nécessite une tension musculaire postérieure pour maintenir l’équilibre. Globalement, la charge est plus forte au niveau de la concavité favorisant la cunéiformisation du corps vertébral fragile en période pubertaire et en cas d’ostéoporose à l’âge adulte. Il faut le réaxer par la prise de conscience des défauts posturaux, la réharmonisation statique et diminuer globalement les contraintes par l’économie du rachis au cours des 24 heures.(figure 1)

 

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Figure 1 : effet balance

Figure 2 : rotation de plus de 25°

 

- une rotation de plus de 25° à l’apex de la scoliose accentue cette rotation lors de flexion du tronc en avant dans le plan sagittal. Le bras de levier de la musculature paravertébrale se situe du même côté du centre instantané de rotation du corps vertébral. Il faut donc muscler le rachis en position neutre dans le plan sagittal. (figure 2)

 

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Figure 3 : effet triporteur

Figure 4 : Effet flambage

 

- La vitesse de cette flexion du tronc en avant peut également favoriser le « dérapage » du corps vertébral comme un triporteur abordant un virage à grande vitesse. Visco-élasticité signifie élasticité à vitesse lente. Il faut éviter les mouvements rapides de flexion antérieure du tronc.(figure 3)

- Un solide flexible, lorsqu’il subit une charge verticale se déforme en s’incurvant, c’est le flambage. Il faut éviter les charges axiales avec poids sur la tête.(figure 4)

- Les lois de Wolf et Delpech de remodelage osseux dans le plan de fonction du rachis en période de croissance entraînent une inhibition de la croissance du mur antérieur du corps vertébral et une croissance plus marquée au niveau de l’arc postérieur.

Ainsi se constitue le cercle vicieux de la scoliose bien décrit par Ian Stokes avec déformation osseuse du corps vertébral, hyperpression musculaire postérieure, rétraction du ligament commun vertébral antérieur

- Lorsqu’il existe une asymétrie costale, l’inspiration profonde favorise la rotation. Il faut donc éviter l’essoufflement à l’occasion de la pratique d’un sport.

- Il existe un syndrome pulmonaire restrictif qui justifie des exercices respiratoires.

-  Il existe un retard de maturation des systèmes posturaux. Chez les scoliotiques Yamada retrouve 79 % d’anomalies de fonctionnement du système postural (contre 5 %) dans la population normale. Ces anomalies disparaissent à l’âge de 20 ans. Il s’agit d’un retard de maturation. Sahlstrand retrouve chez le scoliotique 65 % de dysfonctionnements vestibulaires.  il faut stimuler le système postural par une rééducation proprioceptive et la pratique du sport.

- Avant la latéralisation (l’enfant tend la main droite vers l’âge de 7 ans) les courbures sont 50 % droites et 50 % gauche. Après l’âge de 7 ans elles sont en majorité thoracique droite.

 

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Figure 5 : scoliose infantile thoraco lombaire gauche

Figure 6 : Scoliose de l’adolescence thoracique droite

 

 

S’il est vrai que de Stonehenge à Gisez, les blocs de pierre luttent contre la force de compression de la pesanteur. Les modèles mathématiques basés sur la compression axiale d’un rachis en position debout immobile sont exacts, mais insuffisants, car le rachis est capable de fonctionner dans tous les plans de l’espace, y compris en apesanteur.

 

2 – Concept d’intégrité tensionnelle

L’un des concepts les plus intéressants est l’intégrité tensionnelle imaginée par l’architecte Buckminster Fuller en 1920.

En biomécanique, l’intégrité tensionnelle est la propriété des objets dont les composants usent tension et compression de telle sorte que la force et la résistance dépassent la somme de celles de leurs composants. Ainsi les os et les muscles agissent en unisson pour se renforcer.

Le terme de « tensegrity » est la contraction d’intégrité tensionnelle.

Les structures de tenségrité se répartissent en deux catégories :

 

-          la première est constitué de tiges rigides dont chacune peut travailler en traction et en compression, et qui sont assemblées en triangles, en pentagones ou en hexagone; la supériorité de ces polyèdres par rapport aux structures carrées apparaît évidente en terme de stabilité;  l'orientation des tiges détermine la position de chaque articulation et garantit la stabilité de la structure; les dômes géodésiques de B.Fuller sont ainsi constitués; l'icosahèdre apparaît comme la structure la plus économique (plus grand volume par rapport à la superficie).

 

 

-           la deuxième est constitué par deux éléments de base : des barres et des câbles, articulés dans un état d'autocontrainte; les barres rigides sont comme flottantes dans une matrice élastique (câbles). Les câbles forment une configuration continue, alors que les barres restent entre elles discontinues au sein de la structure, les tiges rigides en compression exercent une force de traction sur les éléments élastiques en traction qui, eux-mêmes, compriment les tiges rigides.

 

  

Les avantages d’un système à intégrité de tension sont :

-          le système est omnidirectionnel.

 

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Figure 7 : Système omnidirectionnel

Figure 8 : Non linéarité géométrique

 

-          La résistance de l'ensemble, qui dépasse de loin la somme de celle de ses composants; le "raidissement linéaire" (à une force externe croissante s'oppose une résistance également croissante) s'explique par la sommation du recrutement des éléments de la structure.

-          La légèreté en regard de leurs performances mécaniques : permet de réduire le poids de moitié par rapport à des systèmes équivalents en termes de résistance mécanique.

-          La flexibilité du système s'apparente à celle d'un système pneumatique, ce qui lui confère une grande capacité de changement de forme; la déformation locale sous une action extérieure va s'épuiser dans l'ensemble du système et donc minimiser les contraintes, permettant la réversibilité.

-          faible énergie consommée,

 

Les caractéristiques d’un système à intégrité de tension sont :

-          modèle non linéaire,

-          structure rigide osseuse en compression discontinue et structure flexible musculo-ligamentaire en tension continue,

-          la charge appliquée est distribuée dans toute la structure,

 

Quelques exemples permettent de mieux comprendre le concept.

-          Dans un ballon de baudruche, la tension continue de l’enveloppe du ballon lutte contre les molécules d’air à l’intérieur, qui chacune repousse l’enveloppe de façon discontinue. L’ensemble est beaucoup plus résistant que la mince paroi de latex. (figure 7)

 

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Fugure 9 : Le ballon de baudruche

Figure 10 : Invariance d’échelle

 

 

-          Les dômes géodésiques assurent également une stabilité maximale avec un minimum de matériau. Théoriquement, la taille du dôme est illimitée. Le muscle augmente sa force lorsque sa surface de section augmente. L’os augmente de section, non du fait de la compression, mais du fait des tensions de la matrice de collagène. Le cou des dinosaures de 10 mètres de long fonctionnait dans toutes les positions. En mécanique newtonienne, un animal de taille supérieure au lion ne serait pas mécaniquement viable. (figure 10)

-          La non linéarité du système peut être rapprochée du  véhicule qui tire une caravane. La traction (pull) est convergente, surtout en montée. Par contre en descente, la poussée est divergente (push). Le système nerveux central est un système à intégrité de tension. Le système sensitif envoie des informations en continu, le système moteur réagit par impulsions discontinues. La non linéarité est également géométrique. Un déplacement de quelques mm du tendeur augmente considérablement la résistance du cable. (figure 8)

-          En architecture, la needle tower de Kenneth Snelson est de type intégrité de tension. Haute de 18 mètres, elle plie au vent, mais ne se renverse pas.


 

Le système musculo-squelettique est un système à intégrité de tension.

 

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Figure 11 : Insertion triangulaire de la musculature

Figure 12 : orientation des couches de l’annulus

 

-          L’insertion de la musculature profonde et superficielle est de type triangulaire. (figure 11)

-          La résistance à la charge des muscles paravertébraux est d’environ 3000 N. En mécanique newtonienne, lors d’un soulèvement de poids en flexion antérieure du tronc, la charge atteindrait 16000 N, ce qui est impossible.

-          Les structures à intégrité de tension se coordonnent à 60° et non à 90°. Les fibres de l’annulus sont orientées à 60°. (figure 12)

-          Les ligaments jaune et longitudinaux antérieurs et postérieurs sont sous tension continue. Le ligament jaune est le plus élastique de l’organisme. Il absorbe l’énergie et la restitue en mobilisant la charge. S’ils sont sectionnés, la colonne s’allonge.

-          En pathologie, nous connaissons la maladie de Marfan avec altération de la structure élastique vasculaire, mais aussi ligamentaire paravertébrale. La grande taille s’explique par le défaut de tension qui normalement freine la croissance. Les scolioses sont classiques dans la maladie de Marfan.

-          La longueur des muscles paravertébraux au repos est telle qu’ils sont en permanence sous tension.

-          Le rachis n’est pas un empilement de cubes, l’ensemble peut défier les lois de la gravité lors de la pratique de la gymnastique, du patinage…La structure anatomique du corps vertébral avec ses apophyses épineuses et ses transverses évoque un système à intégrité de tension qui peut être modélisé. Les structures osseuses ne se touchent pas, comme dans les systèmes à intégrité de tension. (figure 13)

-          Si l’on retend les cordes, la solidité du mât est augmente,

 

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Figure 13 : Les points d’insertion osseuse doivent rester indépendants

Figure 14 : Nouvelle modélisation du rachis

 

Nous citerons quelques conséquences pratiques de ce nouveau concept :

-          Le changement de tonicité modifie la forme de la structure. L’hypotonie physiologique de l’adolescent explique sans doute la fréquence des troubles posturaux cyphotiques à cet âge.

-          Les orthèses nocturnes sont efficaces lorsqu’elles peuvent agir sur les tensions, soit avant 11 ans, soit en cas de cyphose relativement réductible.

-          Le corset plâtré réalise un véritable fluage ligamentaire avec gain de longueur après une traction continue de plus de 3 semaines. Il existe un véritable étirement des structures de la concavité scoliotique. Le rééquilibrage des tensions rend le corset plus efficace en supprimant le frein ligamentaire.

-          La structure rigide de l’orthèse permet une pression discontinue selon les mouvements de l’enfant. Cette absence de discontinuité explique sans doute la moindre efficacité des orthèses élastiques.

-          L’ossification est maximale dans les sports à fort impact : aérobic, sports collectifs (rugby, foot), jogging, tennis. Les enfants pratiquant le tennis en compétition n’ont pas plus de scoliose que la moyenne de la population.

-          Perte de l’intégrité tensionnelle. En pathologie, nous connaissons bien la spondylarthrite ankylosante avec perte des mécanismes d’intégrité tensionnelle. Avec l’âge et l’arthrose les structures osseuses perdent leur indépendance. Les changements de position du rachis sont moins bien tolérés. Spontanément la colonne vertébrale reste le plus verticale possible.

 

En Conclusion

Sans renier la mécanique newtonienne traditionnelle, nous souhaitons insister sur une nouvelle modélisation du rachis. Ce sont les tissus mous autour du rachis qui, sous une tension appropriée et continue, maintiennent et peuvent soulever l’ensemble du rachis. Les vertèbres et les disques sont en compression discontinue. Le rachis n’est plus une colonne avec un empilement de vertèbres, mais une structure à intégrité de tension. Ce système économise l’énergie et permet l’omnidirectionnalité du rachis.

 

Références

Sciascia G, De Frenza MD, de Mauroy JC; Nouvelle biomécanique non linéaire du rachis.

Res Eur Rachis  2005, 41: 1664-1666

| Full text |

Salmochi JF; Une nouvelle approche des manipulations vertébrales par la Tenségrité.

Res Eur Rachis 2005, 41: 1725-1726

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Auteur : Dr Jean Claude de Mauroy (Médecine Orthopédique)

Cette page a été mise à jour pour la dernière fois le : 27 janvier 2011

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