Biomécanique du squelette

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Science & Sports, 1 (1986) 107-115 © Elsevier, Paris

Biom6canique du squelette J.M. K I R S C H , P. L E P I N A Y , R. A B E C A S S I S et E. A U C L A I R Chirurgie orthopddique et traumatologique - Chirurgie plastique (Prof. S. Baux), H 6 p i t a l Rothschild, 33, boulevard de Piepus, 75571 Paris C e d e x X I I (Refu le 24-2-1986; acceptd le 3-3-1986)

R~sum~ - Quand il est soumis/t une force, l'os se ddforme; quand la force ddpasse une certaine intensit6, il se rompt. Si une m~me force se r6p6te un grand nombre de fois, des processus adaptatifs interviennent : min6ralisation des zones les plus expos6es, r6paration des fractures de fatigue, etc. Ce sont les sollicitations en flexion qui sont les plus dangereuses pour les os longs. Heureusement, ceux-ci sont prot6g6s par : - l'interposition d'arficulations ; - la prdsence des muscles, qui manchonnent les pi6ces squelettiques et emp~chent l'os de fl6chir comme le font les haubans pour le mat d'un navire. Au bout du compte, notre squelette est soumis par la pesanteur/t des contraintes qui sont consid6rablement augmentdes du fait d'un certain nombre de bras de levier. Les variations sont importantes, selon la statique globale de chacun plus que selon son activit6 sportive. A c e s contraintes r6pondent des r6actions r6flexes musculaires protectrices, responsables d'une pathologic vari6e. L'hypoth6tique modification de la statique globale serait la r6ponse logique aux troubles que ressentent les patients. biom~canique / squelette

- B i o m e c h a n i c s o f t h e s k e l e t o n . When subjected to force, the bone bends; with increasing force, it breaks. I f the same force is exerted frequently, adapting processes intervene, such as the mineralisation o f the most exposed areas, repair of fatigue fractures, etc. Long bones acted upon by flexion are most at stake. However, they are protected by: - the interposition o f articulations; - the presence o f muscles coupling the skeleton pieces and preventing the bone from bending. The human skeleton is submitted by gravity to constraints which are aggravated by the presence o f a certain number o f lever arms. The variations are important and depend more on the global static than on his physical activity. These constraints are counterbalanced by protective muscular reflexes triggering different pathologies. The theoretical modification o f the global static represents the logical answer to the troubles encountered by the patients. Summary

biomechanics / skeleton

Introduction

Le m o t <>effraie le lecteur. I1 imagine un tourbillon de forces, de pressions, de contraintes qui assaillent notre squelette. I1 l~che facilement prise et tourne la page. Les principales notions de biom6canique sont p o u r t a n t d ' u n a b o r d facile si l ' a u t e u r renonce aux

formulations math6matiques qui rebutent, et au jargon pseudo-scientifique qui r6vulse. C'est ce que nous nous sommes efforc6s de faire ici. N o u s 6tudierons successivement la fagon dont le squelette supporte les sollicitations m6caniques, puis les m o y e n s de d6fense dont il dispose, et enfin ces sollicitations elles-m~mes (Fernandez-Fairen, 1983).

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R6sistance du squelette aux sollicitations

Introduction g~ndrale L ' o s soumis /t des forces se comporte c o m m e n ' i m p o r t e quel mat6riau, mais aussi tr6s diff6remment. C'est qu'il est vivant ! Les situations dans lesquelles il peut se trouver sont extraordinairement vari6es, mais certaines se r6p6tent plus souvent que d'autres. On congoit facilement q u ' u n calcan6um soit soumis/i des forces de compression, un os long ~t des solticitations en flexion, etc. Nous avons choisi de limiter le sujet & la fagon dont un os long r6agit aux sollicitations en flexion.

ConsOquences des flexions rOpOt~es d'un os long ElasticitO du squelette (Meyrueis et al., 1978) Un os long se comporte c o m m e n ' i m p o r t e quelle barre soumise /~ une flexion: il se d6forme. Les d6formations qu'il subit sont m~me importantes (proportionnelles/~ la force causale et g l'61asticit6). Par exemple, l'os est plus 61astique que tous les mat6riaux utilisds pour l'ost6osynth6se malgr6 les progr6s actuels; ceci signifie qu'/t force 6gale, un os se d6forme plus en flexion qu'une plaque m6tallique vissde (Fig. 1).

FragilitO du squelette Les sollicitations en flexion entra~nent une d6formarion 61astique, c'est-~t-dire r6versible, pour autant qu'elles ne d6passent pas une certaine valeur. Au-del~ de cette limite, on atteint le seuil de rupture: une fracture se produit. On connait la structure microscopique de l'os compact (le seul qui ait un r61e dans la solidit6 du squelette): des fibres de collag~ne - o/~ se fixent les cristaux d'hydroxyapatite - baignant dans une substance fondamentale. Notons le travail permanent des ost6oblastes, qui synth6tisent ~t la fois le collag6ne et la substance fondamentale, et qui fixent les mindraux par un processus actif. Cette fabrication incessante d'os nouveau compense la non moins incessante destruction dont sont responsables les ost6oclastes. De par l'orientation de ses trav6es, le squelette est mieux a r m s face/t certaines directions de forces que face ~t d'autres. Or, cette orientation est justement d6termin6e par ces forces elles-mames : on voit l'extraordinaire facult6 d ' a d a p t a t i o n de l'os. I1 s'organise pour r6sister aux forces ext6rieures/~ la mesure des modifications de celles-ci.

FatigabilitO du squelette La notion de fatigabilit6 ne recouvre pas celle de fragilit6. Un mat6riau inerte soumis un grand nom-

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IL. Fig. 1. A force 6gale, l'os se d6forme plus en flexion qu'une plaque m6tallique viss6e.

BiomOcanique du squelette bre de lois/~ la mSme sollicitation finit toujours par se rompre, marne si chaque sollicitation est tr6s inf6rieure au seuil de r6sistance. Ces ruptures qui se produisent apr6s un tr6s grand nombre de cycles sont appel6es fractures de fatigue. Elles se produisent bien 6videmment/l l'endroit o/~ les contraintes sont les plus importantes. La rupture par fatigue du mat6riau est, en r6alit6, la sommation de microfractures successives qui augmentent la fragilit6 dans les zones o~ les contraintes sont les plus concentr6es. Pas plus que les autres structures, le squelette n'est /t l'abri: on peut mSme l'imaginer victime d'incessantes microfractures, r6par6es au fur et ~t mesure par la n6oformation osseuse. C'est cette n6oformation permanente, caract6ristique de la substance vivante, qui le diff6rencie d'un vulgaire m6tal. Le m6tal peut &re plus solide, mais il est forc6ment plus fatigable car non vivant. Cependant, les efforts de r6paration peuvent atre insuffisants si un trouble statique entraTne une concentration anormale de contraintes en un point du squelette: la fracture de fatigue survient.

Modifications de la densitd osseuse en fonction des sollicitations. Loi de Wolff Les sollicitations r6p6t6es sur un os vivant stimulent l'ost6ogen6se et l'accr6tion calcique. Ce ph6nom~ne est surtout net lorsqu'il s'agit de compressions. A l'inverse, l'absence de sollicitations entra~ne une d6perdition calcique et un appauvrissement osseux. Or, on notera que la flexion d'un os long s'accompagne forc6ment d'une compres-

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sion dans la concavit6 et d'une 61ongation dans la convexit6; chaque fois qu'un os long est physiologiquement l'objet de flexions r6p6t6es, on observe doric une plus grande densification osseuse dans la concavit6 que dans la convexit6. Ceci se v6rifie facilement sur les radiographies, et ce ph6nom~ne est connu sous le nom de <> (Minaire et Alexandre, 1982). La condensation osseuse du bord inf6rieur du col f6moral, l'<<6peron de Merckel>>, en est l'exemple le plus d6monstratif. On appr6ciera, 1/~ encore, les facult6s d'adaptation de notre squelette qui concentre ses forces dans les zones off l'agression est maximale. Sur l'os long synth6s6 par plaque viss6e, les concentrations de contraintes aux deux extr6mit6s de la plaque se marquent par un 6paississement important de la corticale. A l'inverse, la corticale raise l'abri des sollicitations par la pr6sence de la plaque se d6min6ralise. Gardez la plaque, l'os cassera ~t une des extr6mit6s; enlevez la plaque, l'os cassera au milieu (Fig. 2).

Ph~nomknes Olectriques lors de la flexion d'un os long (Thomine et al., 1981) La flexion d'un os long entralne des ph6nom~nes 61ectriques: il apparaTt des charges n6gatives dans la concavit6, et des charges positives dans la convexit6. D6s lots, la tentation est grande d'attribuer aux ph6nom6nes 61ectriques un r61e dans les mouvements ioniques et en particulier calciques. On notera seulement que ce ph6nom6ne, bien connu au demeurant dans les structures cristallines sous le nora de pi6zo61ectricit6, a 6t6 observ6 sur des os

Fig. 2. Os long synth6tis6 par plaque viss6e: 6paississement important de la corticale aux deux extr6mit6s de la plaque.

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morts. D6s q u ' o n considbre un os vivant, les ph6nombnes 61ectriques sont plus complexes. Les applications th6rapeutiques sont un peu d6cevantes: traitement des pseudarthroses par des champs 61ectriques induits, stimulation du cal fracturaire par des 61ectrodes implant6es. A l'heure actuelle, nul ne peut expliquer le pourquoi et le comment des diff6rences de potentiel qu'entra~nent les d6formations du squelette.

Ddformations du squelette de l'enfant. Loi de Delpech (Dimeglio et al., 1983 ; Miravet et Marie, 1981) Les os longs de l'enfant sont dou6s du pouvoir de grandir, grace aux cartilages de conjugaison. L'activit6 du cartilage de conjugaison est - d a n s une certaine mesure - soumise aux sollicitations qu'il subit : la compression diminue l'activit6, alors que l'61ongation la stimule. Ce ph6nom6ne est connu sous le nom de <>. Ainsi, un os long soumis A des flexions r6p6t6es voit une diminution d'activit6 des cartilages de conjugaison dans la concavit6 de la d6formation. La d6formation squelettique qui en r6sulte ent6rine donc les sollicitations en flexion (Fig. 3). I1 y a une grande diff6rence entre la loi de Wolff et la loi de Delpech: la premiere traduit la r6sistance de l'os aux forces qui s'exercent sur lui, alors que la seconde, d6faitiste, montre la soumission du squelette de l'enfant aux contraintes ext6rieures.

Moyens de protection du squelette Les muscles ( F e r n a n d e z - F a i r e n , 1983; H e r z b e r g et al., 1985) Quel que soit le mat6riau, une ~
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Fig. 3. D6formation squelettique chez un os long soumis ~ des flexions r6p6t6es.

pour le mat du navire. Une exag6ration des sollicitations se solde forc6ment par une augmentation de travail du muscle protecteur. Les muscles ont une formidable capacit6 d'adaptation au surcroit de travail qui leur est demand6, c'est d'ailleurs le fondement de l'entra~nement sportif. Malheureusement, leurs tendons terminaux et leurs attaches sur l'os sont beaucoup moins adaptables. I1 est par exemple d6montr6 qu'un tendon ne peut augmenter sa r6sistance aux efforts de traction que jusqu'/~ l'age de 20 ans. Par cons6quent, si un trouble statique accroR les sollicitations sur le squelette, le travail du groupe musculaire protecteur augmente ipsofacto, et les tiraillements tendineux s'exag6rent d'autant. C'est l'explication de bon nombre de tendinites d'insertion, tendinites nodulaires et autres t6nosynovites.

Les f o r m a t i o n s p&i-articulaires ( H e r z b e r g et al., 1985) Si l'on interpose une articulation au milieu d'une barre et que l'on soumet celle-ci ~t un effort de flexion, on comprend bien que la flexion se produira dans l'articulation et que, par cons6quent, le mat6riau constitutif de la barre ne sera pratiquement soumis/~ aucune sollicitation. Si l'articulation est <, le mat6riau subira g nouveau des contraintes ~t la mesure de cette <~rigidification ~>. I1 faut donc faire intervenir, parmi les moyens de protection des os longs contre les efforts de flexion, l'61asticit6 des ligaments et la contraction des muscles p6ri-articulaires. Prenons comme exemple un traumatisme du coude par hyperextension. Si l'articulation est <~rigi-

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b, Fig. 4. P l a q u e vissde du c6t6 convexe d ' u n os travaillant en 610ngation; fix6e du c6t6 concave, elle travaille en flexion et se tord ou casse.

difi6e >>par une intense contraction des muscles rid_ chisseurs, la sollicitation s'exercera sur le squelette du membre sup6rieur et l'on observera une fracture de la palette hum6rale, ou une fracture de l'avantbras. Si la vigilance des muscles fl6chisseurs est prise en d6faut, c'est la capsule ant6rieure de l'articulation qui amortira le traumatisme par son 61asticit6. Selon sa r6sistance, on aboutira soit h une fracture (r6sistance importante ou fragilit6 osseuse, respectivement pour l'enfant ou le vieillard), soit ~t une rupture capsulaire suivie de luxation (r6sistance moins importante que celle du squelette, cas de l'adulte jeune) (Fig. 5).

Le cartilage articulaire (Ficat et Ficat, 1981) Les chocs r6p6t6s engendr6s par la marche sont amortis par les coussinets protecteurs que repr6sentent les cartilages. Leur structure microscopique, avec des fibres collag6nes orient6es en arceaux, favorise ce r61e d'amortisseurs. Ils souffrent malheureusement de ces ~t-coups r6p6t6s et leur d6g6n6rescence est souvent pr6coce: chondromalacie puis arthrose. Cette souffrance est surtout importante lorsque les forces se concentrent sur une surface de contact faible, autrement dit lorsque la pression est importante. L'61argissement de la surface de contact permise par les m6nisques du genou est un moyen de protection efficace pour le cartilage de cette articulation, ainsi qu'en t6moignent les complications des m6niscectomies.

Origine des sollicitations Introduction I1 appara~t de prime abord 6vident qu'une partie des sollicitations imprim6es au squelette le sont par les muscles, eux-m~mes anim6s par la volont6 du sujet. Mais ne nous y trompons pas ! Bien plus que la volont6, jouent les r6flexes. Notre organisme est avant tout soumis ~ la pesanteur et ~ la r6sistance du sol. Ces deux forces obligatoires impriment leur loi aux articulations et au squelette; le jeu des muscles stri6s consiste avant tout h contrebalancer la pesanteur. A titre d'exemple, rappelons le sch6ma de la balance de Pauwels, qui montre que simplement pour 6viter la bascule du bassin lors de l'appui unipodal, le moyen fessier doit d6velopper une force 6gale ~t trois fois le poids du corps, et qu'ainsi la hanche supporte une force quatre fois 6gale au poids (Fig. 6). En chaque point du squelette, des forces consid6rables sont ainsi mises en jeu, r6sultant ~ la fois de la pesanteur, de la r6sistance du sol et des contractions r6flexes des muscles.

La ligne de gravit~ (Frain, 1981 ; T h o m i n e et al., 1981; L e r a t et Taussig, 1982) Le poids du corps est une force verticale, dirig6e vers le bas, dont le point d'application est le centre de gravit6. I1 faut que la verticale abaiss6e du centre de gravit6 tombe dans le polygone de sustentation, faute de quoi la chute survient. Le polygone

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]" Fig. 5. T r a u m a t i s m e du coude par hyperextension r6sultant en fracture ou rupture capsulaire suivie de luxation.

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Biom~canique du squelette de sustentation est repr6sent6 par la plante du pied lors de l'appui unipodal, qui est de loin le plus fr6quent. Ainsi, lors de la marche, le centre de gravit6 pr6sente des oscillations afin d'atre/t peu pr6s /i la verticale de la plante du pied; en r6alit6, la marche est une succession d'6quilibres unipodaux instables et le centre de gravit6 reste toujours un peu

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plus prbs de la ligne m6diane que la plante du pied. N6anmoins, les biom6caniciens admettent qu'on peut assimiler la marche ~ une alternance d'6quilibres stables. Par cons6quent, la direction du poids du corps peut ~tre approximativement consid6r6e comme port6e par une droite unissant le centre de gravit6 et la plante du pied; c'est cette droite qui est appel6e ~ ligne de gravit6)~. Ceci admis, chaque point du squelette d'un membre inf6rieur est soumis ~ des sollicitations en flexion dont le sens et l'importance d6pendent de sa distance par rapport ~ la ligne de gravit6. On remarque que l'ensemble du squelette du membre inf6rieur, it l'exception d'une petite partie du pied, est en dehors de la ligne de gravit6. C'est pourquoi les sollicitations en flexion se font toujours dans le sens de la varisation: coxa vara, genu varum, varus de la cheville. L'exp6rience naturelle repr6sent6e par le rachitisme, off le squelette se d6forme lentement en fonction des forces qu'il subit, en t6moigne (Fig. 7). C'est le jeu musculaire qui lutte contre cette tendance h la varisation: 6ventail fessier pour la hanche, tenseur du fascia lata pour le genou, p6roniers lat6raux pour la cheville. Si l'on considbre le squelette dans un plan sagittal, on constate qu'au d6but du pas le centre de gravit6 est tr~s post6rieur au point d'appui ; la hanche tend ~ s'6tendre, le genou/t fl6chir et la cheville se positionner en inversion et en flexion plantaire. A la fin du pas au contraire, la hanche tend/~ f16-

Fig. 6. Sch6ma de la balance de Pauwels.

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Fig. 7. Rachitisme: le squelette se d6forme en fonction des forces qu'il subit.

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chir, le genou fl s'6tendre et la cheville fl se mettre en 6version et flexion dorsale (Fig. 8). L'avanc6e du centre de gravit6 par rapport h l'axe de flexion-extension du genou verrouille cette articulation; c'est pourquoi les sujets atteints de paralysie flasque du quadriceps et les amput6s de cuisse marchent avec une salutation et une diminution du pas ant6rieur. La salutation implique 6videmment une force suffisante du muscle grand fessier; le grand fessier vient au secours du quadriceps d6faillant.

Fig. 8. Squelette dans un plan sagittal.

L e cas particulier de la cheville et du pied ( E f t h e r , 1980) La cheville est un cas particulier. Elle ne se mobilise que selon deux axes de libert6 : un axe approximativement transversal pour la flexion-extension dans la tibiotarsienne, et un axe oblique en avant, en dedans et en haut pour l'articulation sous-astram6dio-tarsienne (axe de Henke). Ainsi, abduction et pronation sont forc~ment simultan6es, de m~me qu'adduction et supination. Par ailleurs, on ne peut plus accepter/~ ce niveau l'approximation que repr6sente la ligne de gravit6. On dolt consid6rer comme forces ext6rieures: le poids du corps rdel, c'est-h-dire la verticale abaiss6e du centre de gravit6, et la r6action du sol, verticale passant par le point d'appui pr6cis du pied. Selon que chacune de ces verticales se positionne un moment pr6cis en dehors ou en dedans de l'axe de Henke, la pouss6e sera valgisante ou varisante. On peut donc d6finir pour chacune d'elle un moment instantan6 par rapport/~ l'axe de Henke; le moment rdsultant indique si,/t un instant pr6cis, l'arri6re-pied tend ~ se valgiser ou ~ se variser (tendance contrebalanc6e soit par les muscles jambiers,

soit par les muscles pdroniers lat6raux). Ce moment, int6gr6 par rapport au temps sur la dur6e d'un pas, donne une signification physique pr6cise et mesurable h la notion plut6t floue de <~pouss6e valgisante >> ou de <>.

Conclusion g~n~rale Nous nous sommes efforc6s de d6crire le plus simplement possible les r6actions de notre squelette aux sollicitations qu'il subit. La pesanteur et la r6sistance du sol pourraient d6s6quilibrer le corps, disloquer les articulations et fracturer le squelette si un jeu musculaire complexe ne les compensait h chaque instant. De la forme et des dimensions exactes de chaque pi6ce squelettique, du bras de levier de chaque muscle, de l'organisation exacte du m6canisme r6flexe, d6pend la <>de l'individu, qui est simplement sa fagon de se tenir debout et de marcher. On sait bien que la d6marche d'un homme lui est aussi personnelle que son visage, sa voix ou ses empreintes digitales. Ainsi, chacun est pr6dispos6 A la 16sion pr6coce de telle ou telle pi6ce articulaire (m6nisque, cartilage, etc.), ~ la fracture de fatigue de tel ou tel os, la tendinite d'insertion de tel ou tel muscle. Par cons6quent, chacun supportera sans dommage la pratique d'un sport donn~ alors que la pratique d'un autre lui sera pr6judiciable. Peut-on modifier la statique globale par la raise en jeu de nouveaux r6flexes ? Certains th6rapeutes le pensent et s'y attachent, utilisant des m6thodes trbs diff6rentes. Souhaitons simplement qu'une approche biom6canique ~ base de mesures pr6cises vienne rapidement apporter un esprit scientifique, qui manque souvent darts ce domaine.

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