Le mal de dos : une question de mécanique
Pour la première fois, des chercheurs de l'Empa peuvent montrer comment se produit l'usure des crêtes vertébrales et des disques intervertébraux. Le choix ciblé de la bonne thérapie en sera facilité.
En collaboration avec l'Université de Pittsburgh et la Clinique universitaire Balgrist, l'Empa décrypte la mécanique des vertèbres dorsales inférieures. Les chercheurs sont désormais en mesure de montrer comment se produit l'usure des crêtes vertébrales et des disques intervertébraux. Le choix ciblé de la bonne thérapie en sera facilité.
Les uns disent que le mal de dos est le prix à payer pour se tenir droit. Les autres disent que le problème du mal de dos n'a commencé que lorsque l'homme s'est assis pour réfléchir : le manque d'exercice affaiblit les muscles, auquel s'ajoute le stress dans la vie privée ou au travail. Les muscles du dos se contractent et font mal.
La plupart du temps, il est possible de remédier au problème en assouplissant et en renforçant les muscles du dos. Mais chez une personne sur sept, cela ne fonctionne pas ; même l'administration d'opiacés n'est alors plus efficace. Seule une opération peut mettre fin à la souffrance. Dans les cas graves, les vertèbres dorsales ou les disques intervertébraux défectueux sont pontés avec une construction métallique (fusion intervertébrale). Le segment fixé s'ossifie et ne peut plus, dans un premier temps, provoquer de douleurs. Mais de telles opérations de réparation ne soulagent les patients que pendant quelques années, après quoi le problème réapparaît sur les vertèbres voisines. La question est la suivante : pourquoi cela se produit-il et comment pourrait-on l'éviter ?
Bernhard Weisse et son équipe de l'Empa mènent précisément des recherches sur ces questions mécaniques. Pour comprendre pourquoi et à quelle vitesse un disque intervertébral s'use, les chercheurs doivent connaître les forces qui agissent dans cette zone. Et pour cela, il faut une connaissance exacte de la forme, de l'élasticité et de la mobilité des différents éléments - c'est une question pour les ingénieurs en mécanique.
Le simulateur de squelette
Dans un premier temps, les chercheurs de l'Empa ont peaufiné la base théorique : l'équipe de Weiss a introduit les données géométriques de la colonne vertébrale de 81 patients dans le programme informatique Open Sim - un programme de simulation de l'appareil locomoteur humain développé par l'Université de Stanford et utilisé dans le monde entier. Il s'agissait ensuite de reproduire le plus précisément possible la biomécanique dans la simulation informatique : Un disque intervertébral se comporte-t-il comme une articulation sphérique ? Ou plutôt comme un support en caoutchouc ? Quelle est l'influence des muscles - le support en caoutchouc reste-t-il toujours aussi rigide ou sa rigidité varie-t-elle en fonction de l'angle de flexion ? Pour ce faire, l'Empa a collaboré avec le Laboratoire de biomécanique orthopédique de la Clinique universitaire Balgrist (Université de Zurich) et l'Institut de biomécanique de l'EPFZ.
Les scientifiques ont réussi à reproduire la mécanique à l'aide du modèle informatique. Résultat : chez les personnes présentant une certaine malformation de la colonne vertébrale, les disques intervertébraux subissent déjà jusqu'à 34 pour cent de charge supplémentaire lorsqu'ils sont en bonne santé. Si un disque intervertébral se casse et est ponté, la charge dans les articulations voisines augmente encore plus et peut être jusqu'à 45 pour cent plus élevée que chez les personnes sans cette malformation.
Des recommandations thérapeutiques individuelles deviennent possibles
Mais la seule analyse informatique d'un problème de santé ne suffit pas. L'objectif est d'établir un diagnostic individuel pour chaque patient et de recommander le traitement approprié. Une coopération avec des scientifiques américains, financée par le Fonds national suisse, a permis d'avancer dans ce domaine : des chercheurs de l'Université de Pittsburgh ont développé un nouveau système de radiographie vidéo en 3D. Il s'appelle "Digital Stereo-X-Ray Imaging" (DSX) et peut reproduire le mouvement de la colonne vertébrale à 250 images par seconde, tout en permettant de voir la position des vertèbres à 0,2 millimètre près. L'astuce consiste à combiner sur ordinateur les radiographies floues du mouvement avec les images nettes du scanner du patient immobile.
L'un des chercheurs qui y travaille, Ameet Aiyangar, était déjà venu à l'Empa en 2009 en tant que scientifique invité et y retourne aujourd'hui. A Pittsburgh, il a fait soulever des poids à douze personnes en bonne santé et a produit des films haute résolution des mouvements de leur colonne vertébrale. Actuellement, Aiyangar est en train de comparer les films radiographiques enregistrés avec les modèles informatiques de chaque sujet. Une fois que le modèle est cohérent pour les personnes en bonne santé, les chercheurs veulent utiliser cette méthode pour étudier la problématique de la spondylodèse (blocage des vertèbres). Pour ce faire, les patients sont filmés avant et après l'opération avec le système DSX et le mouvement de leurs vertèbres est analysé. Il est ainsi possible de déterminer quelles forces s'exerçaient au niveau de la colonne vertébrale inférieure avant l'opération et ce que le pontage des vertèbres a changé à cette répartition des forces. Cette analyse permettra de mieux comprendre l'usure des vertèbres dorsales et de localiser plus précisément la cause des douleurs dans le bas du dos.A l'avenir, une telle analyse informatique pourrait être disponible pour tous les patients opérés du dos.
(Texte : Empa)
