PETROUS BONE TRAUMA Traumatisme de l os Temporal

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1 UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE MEMOIRE DE MASTER 2 PATHOLOGIE HUMAINE ENVIRONNEMENT ET SANTE Marion MONTAVA Juin 21 PETROUS BONE TRAUMA Traumatisme de l os Temporal Stage réalisé sous la direction du Professeur Jean-Pierre LAVIEILLE Laboratoire d accueil Laboratoire de Biomécanique Appliquée, Laboratoire d Otologie et d Oto-Neurologie

2 REMERCIEMENTS Tout d abord, je souhaiterais remercier mon directeur de projet, le Pr. Jean-Pierre Lavieille, Professeur Universitaire Professeur Hospitalier en Oto-Rhino-Laryngologie et Chirurgie Cervico- Faciale à l Assistance Publique des Hôpitaux de Marseille, pour m avoir dirigée et encadrée dans mes recherches, mais aussi pour m avoir permis de dépasser mes limites. Je remercie également la grande générosité de mon co-directeur, Pierre-Jean Arnoux, chargé de recherche INRETS dans le laboratoire de Biomécanique Appliquée à Marseille (directeur : Professeur Christian Brunet), pour les nombreux conseils et guides qu il m a prodigué lors de la réalisation de ce projet. Merci pour sa rigueur et sa disponibilité tout au long de l accomplissement de mes travaux. Je voudrais également remercier conjointement mes deux directeurs de projet, pour avoir tous deux dirigés ce travail avec complémentarité et rigueur scientifique. Merci pour leur confiance et leurs encouragements tout au long de mon master. Merci également pour leur passion qu ils ont su me transmettre à travers ce projet. Je voudrais également remercier l école chirurgicale marseillaise dans laquelle je m épanouis. Merci particulièrement au Professeur Christian Brunet, au Professeur Jacques Magnan et au Docteur Arnaud Deveze qui ont su répondre à plusieurs de mes innombrables questions. Une pensée toute particulière s adresse au Professeur Michel Zanaret qui restera présent dans cette école et dans nos cœurs. Merci également à tous les étudiants et associés de recherche du Laboratoire INRETS de Biomécanique Appliquée de la Faculté Nord de Marseille, qui ont su créer un environnement propice à la recherche. Merci pour leur support technique et leurs idées nombreuses tout au long de la réalisation de ce projet. Je suis reconnaissante envers la Fondation des Gueules Cassées qui a financé ce travail. J aimerai adresser ma gratitude à mes parents et ma sœur pour avoir su m encourager et me soutenir dans la réalisation de mon master. Ils m ont permis de persévérer tout au long de l accomplissement de mes travaux. 1

3 SOMMAIRE REMERCIEMENTS.1 SOMMAIRE 2 INTRODUCTION. 3 I REVUE DES CONNAISSANCES Anatomie de l os temporal Fractures du rocher 5 3. Biomécanique appliquée à la traumatologie osseuse 7 4. Modélisation par éléments finis : principes 1 II RATIONNELLE DU PROJET CADRE METHODOLOGIQUE. 11 III MATERIELS ET METHODES.12 IV RESULTATS.14 V DISCUSSION 21 CONCLUSION 24 LISTE DES FIGURES ET DES TABLEAUX 25 ANNEXES..26 BIBLIOGRAPHIE..28 2

4 INTRODUCTION Qu il s agisse de la traumatologie de la voie publique, du sport, ou encore de la traumatologie de guerre, certains traumatismes crâniens graves se traduisent bien souvent par des lésions complexes de la région pétreuse. Ces fractures, du fait de leur localisation, ont une incidence extrêmement forte sur les conséquences fonctionnelles pour la victime : risque de surdité, risque de vertiges et perte de l équilibre ou encore risque de paralysie faciale périphérique. Afin de contribuer à une amélioration de la prise en charge clinique et à la mise en place de systèmes de sécurité performants, il apparaît indispensable d étudier en détail ces mécanismes d un point de vue biomécanique. Le projet PTB (Petrous Bone Trauma) s appuie sur une analyse biomécanique des processus lésionnels. L analyse et l étude des fractures du rocher associées à une compréhension des mécanismes anatomopathologiques visent à une amélioration de leur prise en charge, en particulier sur le pronostic de la fonction motrice faciale et de la surdité. Cela permettra une diminution du coût socio-économique, ainsi qu à une augmentation de l efficacité du traitement. Le projet PTB se décompose en quatre phases : Etude épidémiologique des traumatismes du rocher : L étude épidémiologique des traumatismes du rocher porte sur la mise en œuvre d une base de données de cas cliniques de polytraumatisés du rocher. Une analyse détaillée de ces cas cliniques (imagerie, clinique et fonctionnelle) permettra de proposer une première analyse basée sur une description radiologique de ces lésions et reliée aux observations cliniques et fonctionnelles. Cette base de données cliniques, sera crée en étroite collaboration avec les différents services de l hôpital Nord de l'assistance Publique des Hôpitaux de Marseille. Modélisation multi niveaux de la région du rocher Etude des mécanismes de fracture : Plusieurs régions du corps humain ont déjà été modélisées avec le développement d un modèle numérique hybride bio fidèle. Nous arrivons à un stade où nous devons nous intéresser à des parties plus fines et plus complexes du corps humain. Le rocher en est l exemple de part sa taille, son volume, la complexité de son architecture osseuse, son contenu vasculo-nerveux, son importance et la fréquence de son atteinte dans les traumatismes crâniens. La traumatologie virtuelle par la méthode des éléments finis permet d approfondir la connaissance des mécanismes lésionnels et d explorer des configurations d accidents difficilement reproductibles par l expérimentation. Etude anatomique détaillée Validation expérimentale : Afin de valider les études cliniques et numériques, des essais expérimentaux permettront de compléter l analyse en confirmant les lésions osseuses observées et en décrivant les lésions des éléments périphériques pour prendre en compte la structure dans son ensemble. Cette étape fait l objet de ce mémoire. Validation Applications cliniques : Après validation des modèles numériques, l'observation initiale d'un type précis de fracture temporale (scanner en urgence à l'admission du patient) permettra de typer la fracture sur le plan anatomique et fonctionnel et de mieux prévoir l'évolution clinique. Les modèles numériques permettront l'enseignement de la traumatologie crânienne puis à plus long terme la chirurgie virtuelle et/ou robotisée de l'os temporal (chirurgie de l'oreille moyenne, voies d'abord de la base du crâne, chirurgie du nerf facial). Enfin, il permettra l'expérimentation numérique des performances des moyens de protection de la tête en pratique routière et sportive (casques) non existants actuellement. 3

5 I REVUE DES CONNAISSANCES 1. Anatomie de l os temporal La base du crâne est constituée de six os : l os frontal, l ethmoïde, le sphénoïde, les deux os temporaux et l os occipital (Figure 1). Très irrégulière, elle est traversée par de multiples orifices et canaux où passent les vaisseaux et les nerfs qui mettent en relation la cavité crânienne avec les diverses régions du cou et de la face. L os temporal, os pair et symétrique, participe à la formation de la base du crâne et de la calvaria. Il est constitué de trois parties embryologiquement différentes : la partie pétreuse ou rocher, la partie squameuse ou écaille, et la partie tympanique ou os tympanal (Figure 2). Le rocher est creusé par des cavités et canaux destinés d une part à loger les éléments de l appareil auditif et d autre part à livrer passage à des éléments vasculaires, nerveux et musculaires. Figure 1 : Base du crâne, vue endocrânienne (Putz, 2) Figure 2 : Organisation de l os temporal ; rocher (orange), écaille (bleu), tympanal (jaune) (Ala Eddine, 26) L appareil auditif est disposé sur deux axes (Figure 3) : un axe aérien antéro-postérieur (comprenant les cavités de l oreille moyenne) et un axe sensoriel latéro-médial (occupé par l oreille externe et l oreille interne) ; se croisant au niveau de la caisse du tympan. L oreille moyenne est composée de la caisse du tympan comprenant la chaine ossiculaire, qui se prolonge en avant par la trompe auditive, et en arrière par les cellules mastoïdiennes. 4

6 Les organes sensoriels de l oreille interne, ou labyrinthe membraneux, sont la cochlée, organe de l audition, et le vestibule, organe de l équilibre. A la partie antéro-interne de la pyramide pétreuse, ils sont entourés d une coque d os compact, la capsule otique. Le canal facial (aqueduc de Fallope) contient le nerf facial et le nerf intermédiaire. Il s étend du fond du méat acoustique interne jusqu au foramen stylomastoïdien. Le nerf facial parcourt une longue distance dans ce canal osseux (28 à 3 mm), selon un trajet sinueux en forme de Z au sein de la pyramide pétreuse, ce qui permet de le subdiviser en plusieurs segments : - Segment labyrinthique ou 1 portion, horizontal, entre la cochlée et le vestibule, - Ganglion géniculé, - Segment tympanique ou 2 portion, horizontal, dans la paroi médiale de la caisse, - Segment mastoïdien ou 3 portion, émergeant au niveau du foramen stylo-mastoïdien. Figure 3 : Représentation des axes aérien et auditif sur une vue de face interne d un os temporal droit (Blanchet, 22) 2. Fractures du rocher Epidémiologie des fractures du rocher : La fracture du rocher est une affection fréquente, en rapport avec le développement de l activité humaine : accidents de transport (automobile, motocyclette, bicyclette), accidents de sport (ski, vélo tout terrain), accidents domestiques, accidents de travail, agressions, traumatismes balistiques et certaines pathologies médicales (syncope, convulsions, altération de la vision et autres causes de chutes du sujet âgé) (Brodie, 1997 ; Hollinger, 29 ; Ishman, 24 ; Ramirez Sabio, 26). Les accidents de la circulation sont les plus grands pourvoyeurs de traumatismes crâniens (Yetiser, 28). Si la fréquence des accidents d automobile a tendance à régresser, celle des deux roues augmente. Les accidents mettant en jeu ces derniers, particulièrement violents, atteignent surtout l adulte jeune avec une prédominance masculine. Près de 75 % des accidents de la circulation s accompagne d un traumatisme crânien ; 5 % d entre eux ont pour conséquence une fracture du rocher. Les fractures du rocher se rencontrent dans le cadre de traumatismes crânio-encéphaliques de sévérité variable (Granier, 26 ; Ramirez Sabio, 26) et 3 % des traumatismes crânio-encéphaliques sont responsables de fractures de la base du crâne, dont 18 % affectent l os temporal (Nosan, 1997). La fracture du rocher peut être bilatérale dans 12 % des cas (Ghorayeb, 1989). Classifications Les fractures du rocher sont typiquement classées selon l axe du trait de fracture par rapport à l axe de la pyramide pétreuse (Figures 4a et 4b) (Ghorayeb, 1992). Les fractures longitudinales, les plus fréquentes (7 à 9%), sont parallèles à l axe du rocher. Le choc est latéral. Elles atteignent les cavités de l'oreille moyenne et restent extra labyrinthiques. 5

7 Les fractures transversales, moins fréquentes (1 à 3 %), sont perpendiculaires à cet axe. Le choc postérieur, occipital, aborde le rocher de dedans en dehors et entraîne une lésion labyrinthique. Les fractures mixtes associent les types de fractures précédemment cités (moins de 1 %). Figure 4 : a) Classification des fractures du rocher selon Ulrich (Ghorayeb, 1992) b) Mode de propagation du trait de fracture en fonction du point d impact sur une vue endocrânienne de la base du crâne (Blanchet, 22) Prise en charge initiale a Le stade initial est neurochirurgical ; l état neurologique est au premier plan et le pronostic vital est en jeu : hématome extradural, hématome sous dural, hématome intracérébral, œdème cérébral. Le stade secondaire correspond à une évaluation et une prise en charge des complications otoneurologiques: paralysie faciale périphérique, otorragie, otoliquorrhée, rhinoliquorrhée, troubles de l équilibre et vertiges, surdité (transmission, neurosensorielle ou mixte), acouphènes et lésions vasculaires (Brodie, 1997 ; Ghorayeb, 1987). Le diagnostic doit être fait dans les heures suivant le choc car le pronostic de l atteinte audiométrique et du nerf facial dépend du délai de prise en charge. La tomodensitométrie (TDM) est l examen radiologique de choix pour l exploration d un traumatisme du rocher. La TDM spiralée à haute résolution avec coupes fines axiales et coronales de,6 mm jointives permet l étude osseuse des différents compartiments de l oreille. L objectif de l imagerie médicale est de rechercher la présence, la localisation et l extension de tout trait de fracture, de reconnaître une atteinte du nerf facial, de l appareil cochléo-vestibulaire, de la chaîne ossiculaire, du tympan, des structures vasculaires, du tegmen tympani et antri (Figures 5a et 5b). Cet examen va intervenir dans le choix de la stratégie thérapeutique initiale (Saraiya, 29 ; Yeakley, 1999). b a b Figure 5 : a) Fracture longitudinale du rocher gauche passant par le ganglion géniculé sur une coupe axiale b) Fracture transversale du rocher droit passant par le vestibule sur une coupe axiale (cliché du professeur Veillon, Gentine, 1999) Phase séquellaire Ces fractures, du fait de leur localisation, ont une incidence extrêmement forte sur les conséquences fonctionnelles pour la victime : risque de surdité, risque de vertiges et perte de l équilibre ou encore paralysies faciales, méningites retardées par brèche ostéo-méningée. Les fractures de l os temporal peuvent donc affecter la qualité de vie et le statut social du patient principalement lorsque l organe vestibulo-cochléaire ou le nerf facial sont endommagés. 6

8 3. Biomécanique appliquée à la traumatologie osseuse Les conditions expérimentales Depuis de nombreuses années, des études expérimentales sont dédiées à l étude histologique et anatomique ainsi que la caractérisation mécanique de l os. Les résultats varient selon le matériel testé et le protocole employé. Outre les variations inter et intra individuelles, les résultats dépendent de l origine, de la conservation et des dimensions du tissu testé. o Origine : L idéal pour connaître les propriétés mécaniques des tissus est de réaliser des tests sur des os provenant de donneurs humains. Mais il n est pas forcement facile de se procurer ce type d échantillons. o Conservation : Les expériences étant réalisées plus ou moins longtemps après l obtention des os, il faut donc chercher à éviter leur détérioration afin de se rapprocher le plus possible des conditions in vivo. Selon les études, les pièces peuvent être fraîches, congelées, séchées, embaumées, conservées en solution saline ou dans du liquide de Winckler. La conservation a une influence importante sur le comportement des matériaux biologiques (Viano, 1986). La technique de congélation est très utilisée car ses effets ne semblent pas affecter les tissus. La technique de Winckler restitue une réponse mécanique des tissus très proche de l in vivo. o Dimension : Les tests peuvent être effectués sur des échantillons d os, sur la diaphyse des os longs ou sur l os complet. Bases mécaniques de l os o La relation effort/déplacement : Il existe un grand nombre de paramètres biomécaniques permettant de caractériser le comportement mécanique de l os. Le concept central de tous ces paramètres est représenté par la relation entre une charge (effort) appliquée à la section d une structure osseuse et le déplacement induit en réponse à cette charge (Figure 6). Figure 6 : Courbe d effort/déplacement La pente du domaine élastique de la courbe Effort/Déplacement représente la «raideur extrinsèque» de la structure osseuse (K) ou «raideur expérimentale». D autres propriétés biomécaniques peuvent dériver de cette courbe : la charge de rupture (ou effort de rupture), l énergie à la rupture (U) (représentée par l aire sous la courbe effort/déplacement) et l allongement à la rupture qui représente le déplacement maximum jusqu à la rupture. Chacun de ces paramètres de mesure reflète une propriété de l os : - La raideur extrinsèque est fonction de la minéralisation de l os ; - La charge de rupture reflète l intégrité de la structure osseuse ; 7

9 - L énergie à la rupture représente la partie de l énergie nécessaire à endommager irréversiblement la structure osseuse. Cependant, la courbe effort/déplacement dépend également d autres paramètres tels que la géométrie ou la taille de l échantillon, ou encore le type d essai mécanique. C est pourquoi il est préférable, lorsqu on étudie le comportement d un matériau, de se ramener à une mesure intrinsèque telle que la courbe contrainte/déformation. o La relation contrainte/déformation : Quand un corps est soumis à l action de forces extérieures, des contraintes s établissent, par réaction, à l intérieur du corps. Aux contraintes sont associées des déformations (Figure 7). Figure 7 : Courbe de contrainte/déformation Dans le domaine élastique, les déformations sont entièrement réversibles : quand les forces sont appliquées sur le corps, celui-ci se déforme, mais retrouve sa forme initiale quand les sollicitations extérieures sont retirées. La valeur de la pente de la courbe de contrainte/déformation d un corps (dans son domaine élastique) représente donc le module d Young (ou module d élasticité). Son unité s exprime en Pascal (1 Pa = 1N/m ). Le module d Young représente en fait la rigidité du matériau, qui est fonction de l intensité des liaisons qui existent entre les atomes ou les molécules constitutifs d un matériau. o Anisotropie : L anisotropie caractérise un corps dont toutes ou une partie des propriétés (mécaniques, thermiques) sont dépendantes de la direction considérée. En raison de son hétérogénéité, l os est un biomatériau anisotrope. Ceci explique que lors des essais mécaniques (en compression par exemple), en fonction de la direction de charge imposées à un échantillon d os, les courbes contrainte/déformation sont différentes et en conséquence le module d Young également. o Viscoélasticité : L os est un matériau viscoélastique ; c est-à-dire qu il existe une déformation instantanée d un échantillon d os lorsqu on lui applique une contrainte mais également une déformation différée dans le temps. Les propriétés biomécaniques de l os sont ainsi dépendantes du temps. Ce facteur «temps» a une importance dans la caractérisation mécanique de l os. Caractérisation mécanique de l os Pour caractériser le comportement mécanique de l os, nous devons recourir à des essais mécaniques, les paramètres ainsi identifiés seront utilisables dans le calcul des résistances du matériau ou permettront d en apprécier le comportement après mise en charge. L essai de compression est un essai très courant de caractérisation mécanique de l os à l échelle globale. Il peut être non destructif, se limitant au seul domaine élastique et permettent ainsi de déterminer le module d élasticité dans différentes directions, ou destructif, et permet ainsi d obtenir le module d élasticité et la résistance mécanique pour une direction de sollicitation. Les autres types d essai possibles sont : l essai de traction, l essai de cisaillement, et l essai de flexion. 8

10 De nombreux chercheurs ont étudié, depuis plus d une centaine d années, les mécanismes de fractures du crâne. De nombreuses techniques ont été utilisées. Les essais sur sujets d anatomie pour le segment corporel tête ont été réalisés sur sujets entiers, sur crâne et sur éprouvettes osseuses. Divers moyens d essais ont été utilisés (pendule, puits de chute, bras impacteur, machines conventionnelles d essais), et ce avec différents impacteurs (géométrie, surface d impact). Les essais les plus proches de notre étude sont rapportés dans le tableau 1. Schneider et coll., (1972) Travis et coll., (1977) Got et coll., (1978) Allsop et coll., (1991) Yoganandan et coll., (1995) Depreitere et coll., (27) Objectifs : Réponses du crâne humain sous sollicitations dynamiques. Méthodologie : 29 impacts temporo pariétaux ; 18 frontaux ; 17 zygomatiques ; impacteur circulaire. Données biomécaniques : Vitesse d impact de 3,86 à 5,97 m/s ; Force de 134 à 47 N. Résultats : La sévérité des fractures est en fonction des efforts appliqués. L effort moyen au niveau de l os frontal est plus important que celui de la région temporo pariétale qui lui-même est plus grand que celui de l os zygomatique. Objectifs : Etudier les fractures de l os temporal produites en situation d impact automobile. Méthodologie : 4 impacts temporo pariétaux par pistons ; 1 impact frontal par piston ; 2 impacts latéraux en position assise. Données biomécaniques : Vitesse d impact de 7,74 à 11,21 m/s ; Force de 6672 à 167 N. Résultats : Des situations d'accidentologie à basse vitesse sont responsables de fractures comminutives étendues de l os temporal. Il existe une grande vulnérabilité des automobilistes aux fractures de l os temporal, du crâne, et aux lésions encéphaliques, lors d un choc latéral. Les fractures décrites correspondent des fracas importants rarement retrouvés en condition clinique avec fractures du crâne multiples et extensives. Objectifs : Etude biomécanique et morphologique sur 42 crânes humains. Méthodologie : Impacts frontaux, temporo pariétaux et faciaux avec puits de chute. Données biomécaniques : Vitesse d impact de 6 m/s ; Force de 114 N. Résultats : Les auteurs déterminent une relation entre les caractéristiques morphologiques du crâne et la minéralisation. Des lésions morphologiques et histologiques crânio-encéphaliques sont décrites. Objectifs : Etude des paramètres influençant la résistance à la fracture dans les impacts latéraux. Méthodologie : 31 impacts latéraux avec puits de chute ; impacteur plat rectangulaire ou circulaire. Données biomécaniques : Vitesse d impact de 6,5 m/s ; Force de 1235 N. Résultats : Aucune relation linéaire significative n est retrouvée entre l effort à la fracture et la teneur minérale des sujets testés. Ceci n établit pas un manque de corrélation entre la résistance à la fracture et la teneur en minéraux mais indique que d autres effets (surface de contact de l impacteur, géométrie, ) ont une plus grande influence lors d impacts latéraux. Objectifs : Etude sur le comportement de la tête sous chargement quasi-statique et dynamique. Méthodologie : Impact vertex, pariétal, temporal, frontal et occipital ; impacteur hémisphérique. Données biomécaniques : Vitesse à 2,5 mm/s en quasi-statique et entre 7,1 et 8 m/s en dynamique ; Effort à la fracture entre 45 et 141 N pour un déplacement entre 3,4 et 16,6 mm ; Rigidité entre 467 et 129 N/mm pour le chargement quasi-statique et entre 2462 et 5867 N/mm pour le chargement dynamique. Résultats : Le crâne est une structure à comportement non linéaire. Objectifs : Etudier le rôle protecteur des casques de vélo sur la région temporale lors d impacts latéraux. Méthodologie : 6 impacts latéraux en position assise ; 5 impacts latéraux en position de chute ; 2 types de casques aux normes (un de conception commune, un à plus grande couverture temporale). Données biomécaniques : Vitesse d impact de 6,1 m/s. Résultats : Les modèles communs de casques disponibles dans le commerce n empêchent pas le contact direct sur la région temporale et zygomatique, et ce contact peut être responsable de fractures du crâne. Tableau 1 : Les différents essais fractionnés sur segment corporel tête 9

11 4. Modélisation par éléments finis : principes La méthode des éléments finis (MEF) est appliquée à la modélisation des propriétés mécaniques des biomatériaux à partir de leur structure depuis quinze ans environ. La MEF permet d obtenir une approximation des solutions d équations d équilibre de corps solides déformables soumis à des sollicitations d origines diverses. Les quantités mécaniques (déplacements, déformations, contraintes) liées à l équilibre des solides et satisfaisant aux lois de la physique sont ainsi calculées en certains points du solide modélisé. L échantillon d étude devient alors une structure découpée en un nombre fini de sous-ensembles appelés éléments. Ces éléments sont constitués d un nombre fini de points appelés «nœuds». Les éléments sont interconnectés par les nœuds, généralement situés au milieu ou au sommets des arches constituants les éléments (Figure 8), formant ainsi «le maillage» de la structure initiale. Les calculs mathématiques sont effectués uniquement aux nœuds. Après avoir calculé l équilibre de chaque élément, l équilibre global du solide, sous un chargement donné, est approché en sommant les contributions de chaque élément et en tenant compte des conditions aux limites qui lui sont imposées. Dans le domaine médical, pour l étude par éléments finis de biomatériaux, ce maillage est réalisé à partir d images radiologiques (TDM, IRM) à l aide d un logiciel de segmentation manuelle ou automatique en 3D, puis exporté vers le logiciel éléments finis ; le maillage peut être constitué d une grande quantité d éléments, ce qui augmente la précision de la simulation mais allonge considérablement la durée de calcul (Figure 9). Les principaux logiciels d analyse par éléments finis de biomatériaux relevés dans la littérature sont ABAQUS, ANSYS, COSMOS et RADIOSS. Ce sont des logiciels éléments finis généralistes qui traitent d un très grand nombre d applications en mécanique des solides, et qui ont été utilisés par plusieurs auteurs pour la modélisation biomécanique. Il existe plusieurs types d éléments pour les systèmes de modélisation en 3D : l élément hexaédrique (brique) à 8 nœuds et l élément tétraédrique à 4 nœuds par exemple (Figure 8). a b Figure 8 : Exemple de deux géométries 3D d éléments utilisés pour la méthode des éléments finis a) Elément hexaédrique à 8 nœuds b) Elément tétraédrique à 4 nœuds Figure 9 : Modélisation 3D par éléments finis de l os cortical du radius a) Imagerie : coupe tomodensitométrique de l échantillon b) Echantillon c) Modèle en éléments finis hexaédriques par logiciel ANSYS (Bosisio, 27) La simulation 3D par éléments finis d un matériau nécessite notamment de connaître la loi de comportement biomécanique propre au matériau que l on cherche à modéliser. Après l étape de résolution numérique, les résultats sont exploités par le logiciel de façon qualitative et quantitative sous forme d iso valeurs (champs de couleurs) variant en fonction de la variable observée (contraintes, déformations, vecteurs de déplacement, ). 1

12 II RATIONNELLE DU PROJET CADRE METHODOLOGIQUE La revue des connaissances permet de dégager les éléments suivants : La région pétreuse est une région anatomique complexe creusée par des cavités et canaux destinés d une part à loger les éléments de l appareil auditif et d autre part à livrer passage à des éléments vasculaires, nerveux et musculaires. Les fractures du rocher sont une affection fréquente, en rapport avec le développement de l activité humaine. Les fractures longitudinales sont les plus fréquentes. Le choc est latéral de dehors en dedans. Les fractures de l os temporal peuvent affecter la qualité de vie et le statut social du patient principalement lorsque l organe vestibulo-cochléaire ou le nerf facial sont endommagés. Pour caractériser le comportement mécanique de l os, nous devons recourir à des essais mécaniques, les paramètres ainsi identifiés seront utilisables dans le calcul des résistances du matériau ou permettront d en apprécier le comportement après mise en charge. Plusieurs études expérimentales ont été réalisées pour étudier les traumatismes crâniens en impact latéral. Ces études expérimentales ont montré que les chocs latéraux à basse vitesse étaient responsables de fractures comminutives étendues de l os temporal. La comparaison des résultats est rendue difficile par la diversité des protocoles expérimentaux utilisés et par l évolution des moyens de mesures depuis ces 3 dernières années. La méthode des éléments finis permet de modéliser le comportement biomécanique de la région pétreuse, et d étudier les impacts latéraux de cette région anatomique. Aucune modélisation détaillée de la région pétreuse avait été retrouvée dans la littérature. L analyse de ces considérations mène à la question suivante : Quelles sont les mécanismes biomécaniques des fractures du rocher lors d un choc latéral, et leurs conséquences anatomopathologiques? Afin de répondre à cette problématique de recherche, nous avons choisi de : - Développer un modèle de la région pétreuse par la méthode des éléments finis. - Réaliser une étude expérimentale de traumatismes crâniens en choc latéraux sur segments corporels humains. Les essais auront pour objectif d étudier les mécanismes biomécaniques et anatomopathologiques des fractures du rocher, et de participer à la validation du modèle numérique de la région pétreuse. La modélisation de l os temporal à l aide de la méthode des éléments finis avec étude d un traumatisme direct latéral de l os temporal, achevé, a fait l objet d un article soumis à la revue scientifique «The Journal of Trauma, Injury, Infection and Critical Care» au mois de février 21 et actuellement en cours de révision. Notre modélisation est basée sur la morphologie externe de la structure osseuse, nous permettant la réalisation d un modèle extrêmement détaillé (éléments du maillage de,13 à 1 mm). L objectif de ce travail était de décrire l ensemble des processus de rupture de l os pétreux sur un point de vue morphologique. L abstract est rapportée dans l annexe 1. Suite à l étude analytique des traumatismes latéraux du rocher par réalisation d un modèle de l os temporal à l aide de la méthode des éléments finis, nous avons étudié expérimentalement les mécanismes biomécaniques et anatomopathologiques de rupture de l os temporal dans le cadre de traumatismes crâniens latéraux. Cette étude expérimentale fait l objet de ce mémoire de Master 2. 11

13 III MATERIELS ET METHODES Sujets d anatomie Les essais expérimentaux ont été de type fractionnés sur segments corporels isolés (corps donnés à la science) : 5 têtes adultes. Pour chaque sujet d anatomie, les renseignements suivants ont été notifiés (Annexe 2) : sexe, âge, taille, poids, mesures anthropométriques de la tête, absence de pathologie de la région pétreuse étudiée par la réalisation d un examen tomodensitométrique pré essai. Les sujets d anatomie dans notre laboratoire sont conservés dans du liquide de Winckler. La tête de chaque sujet d anatomie a été prélevée par section de la région cervicale au niveau du plan des vertèbres cervicales C3-C4. Les pièces ont été congelées pour conservation jusqu à 3 jours avant nos essais. Après décongélation, nos segments ont été placés dans un bac de résine afin que la région temporale droite à impacter soit tangentielle à l horizontale. Cette position a permis de maintenir la tête lors de l essai et d éviter tout mouvement de glissement lors de l impact pouvant modifier les résultats. Matériels utilisés - Vérin hydraulique asservi en déplacement (Figure 1) - Plaques graduées horizontales destinées à appliquer le chargement, montées sur le vérin - Capteur d effort vertical situé sous la plaque inférieure (force nominale 15 kn) - Capteur d effort triaxe situé au dessus de la plaque supérieure (force nominale 1 N) - Capteur de déplacement du vérin - 2 accéléromètres triaxes : un placé en position frontale ; un placé en position occipitale - Bac (longueur : 3 cm ; largeur : 2 cm ; hauteur : 3cm) pour couler la résine - Résine (F18 Polyuréthane de coulée à prise rapide AXSON) - Dispositif de prise de vue : caméra numérique à séquence rapide, appareil photos numérique L ensemble des mesures sont faites avec une fréquence d échantillonnage à 1 Hz.! "#$%&'(! )*&++,(%! %(-#.&! /#1'&2! 3(#)'4&2! "#54(#!1'-! +-5&!)&!+#6&! "#$%&'(!)*&++,(%! 7&(%-6#! Figure 1 : Dispositif expérimental Positionnement pour l essai La tête fixée par la résine était placée au sein de notre dispositif au centre de la plaque inférieure à laquelle elle était solidarisée par 2 pinces étaux (Figure 11). 12

14 Lancement du programme de chargement Figure 11 : Pièce anatomique en condition expérimentale Il s agit d essais en dynamique. La vitesse de sollicitation choisie était de 2 m/s au point d impact. La compression de l organe est fixée à 1-15 mm afin de faire face à la capacité de déformation de la boîte crânienne complète. Les consignes envoyées au vérin afin d obtenir ces paramètres étaient : - Placer la plaque supérieure du vérin au contact de la région temporale à impacter - Faire le de référence du vérin à ce niveau (pour faciliter le recalage des résultats) - Monter le vérin à sa position de départ + 8 mm : course de 8 mm - Lancer le vérin afin qu une vitesse de 2 m/s soit atteint au (point d impact) - Stopper le vérin à 25 mm (pour un déplacement effectif du vérin de 1-15 mm) - Remonter le vérin à + 5 mm sans fixer de vitesse de remontée : v Données physiques enregistrées durant l essai Les données du vérin relevées sont : - Temps - Vitesse de déplacement du vérin - Déplacement axial du vérin - Force axiale du capteur d effort vertical - Force X du capteur d effort triaxe - Force Y du capteur d effort triaxe - Force Z du capteur d effort triaxe Examen tomodensitométrique en haute résolution Une TDM du crâne avec reconstruction de la région pétreuse a été réalisée au décours des essais. L interprétation de cet examen a été réalisée, en double lecture avec un radiologue expérimenté, afin de décrire les traits de fracture, leur localisation et les structures anatomiques atteintes (coupes fines de,6 mm jointives). L Unité Hounsfield (UH) moyenne a été mesurée sur chaque scanner au niveau d une région d intérêt (ROI) fixée à la 2 vertèbre cervicale dans un plan frontal passant par le processus odontoïde afin de comparer la minéralisation osseuse des différents sujets. Dissection anatomique de la région pétreuse La dissection anatomique de la région pétreuse a été réalisée sous microscopie optique, en double analyse avec un chirurgien ORL expérimenté, afin de décrire les traits de fracture, leur localisation au sein de la pyramide pétreuse, les éléments nobles atteints, ainsi que leur mécanisme lésionnel. 13

15 IV RESULTATS Données anatomopathologiques La tête PTB_1 a été utilisée pour tester les conditions expérimentales. La présence d une fracture du rocher découverte sur la TDM pré essai ne permettait pas d inclure cette pièce dans notre analyse. Dans l essai PTB_2, on retrouve une fracture du rocher associée à une fracture occipitale (figure 12 et tableau 2). La fracture du rocher est longitudinale extra labyrinthique suivant un plan oblique à 5 du plan axial et à 35 du plan coronal. La fracture occipitale suit un plan différent du précédent. a b c Figure 12 : PTB_2 fracture longitudinale extra labyrinthique a) plan axial b) plan coronal c) plan sagittal TDM Dissection Type Longitudinale extra labyrinthique Longitudinale extra labyrinthique Rocher Oui toit du rocher Oui toit du rocher Mastoïde Oui plan oblique à 45 de l horizontal et 45 de la verticale Oui plan oblique de l angle postéro supérieure de la mastoïde à l insertion du ligament malléaire supérieure Tympanal Oui Oui Ecaille Non Non Canal facial Non Non latéro antérieure au ganglion géniculé Organe cochléo-vestibulaire Non Non Conduit auditif interne Non Non Chaine ossiculaire Non Non Tegmen Oui toit de l antre/additus/attique Oui toit de l antre/additus/attique Structures vasculaires Non Non CAE Paroi antéro-infèrieure CAE Paroi postéro-supérieure Peau du conduit Tympan Oui Oui Oui Oui Non Non Articulation temporo-mandibulaire Oui Oui Fractures associées Oui Os Occipital (base et trou occipital antérieur homolatéral + écaille et trou occipital postérieur controlatéral) Non Tableau 2 : PTB_2 Données anatomopathologiques : présence de traits de fracture 14

16 Dans l essai PTB_3, une fracture du rocher isolée est produite (figure 13 et tableau 3). Il s agit d une fracture extra labyrinthique longitudinale, suivant un plan à 55 du plan axial et à 15 du plan coronal. Elle est limitée à la région du conduit auditif externe et aux parois latérale et inférieure de la caisse du tympan. a b c Figure 13 : PTB_3 fracture longitudinale extra labyrinthique a) plan axial b) plan coronal c) plan sagittal TDM Dissection Type Longitudinale extra labyrinthique Rocher Oui paroi latérale et infèrieure de la caisse du tympan Oui paroi latérale et infèrieure de la caisse du tympan Mastoïde Non Non Tympanal Non Non Ecaille Non Non Canal facial Non Non Organe cochléo-vestibulaire Non Non Conduit auditif interne Non Non Chaine ossiculaire Non Non Tegmen Non Non Structures vasculaires Non Non CAE Paroi antéro-infèrieure CAE Paroi postéro-supérieure Peau du conduit Tympan Oui dans sa portion médiale Non Oui dans sa portion médiale Non Non Non Articulation temporo-mandibulaire Oui Oui Fractures associées Non Non Tableau 3 : PTB_3 Données anatomopathologiques : présence de traits de fracture 15

17 Dans l essai PTB_4, on retrouve une fracture du rocher associée à une fracture sphénoïdale homolatérale (figure 14 et tableau 4). La fracture du rocher est longitudinale extra labyrinthique dans un plan à 55 du plan axial et à 45 du plan coronal. La fracture sphénoïdale suit le même plan vers l avant et le dedans. Il est important de noter qu une atteinte de la chaine ossiculaire est observée avec une luxation de l enclume. a b c Figure 14 : PTB_4 fracture longitudinale extra labyrinthique a) plan axial b) plan coronal c) plan sagittal TDM Dissection Type Longitudinale extra labyrinthique Longitudinale extra labyrinthique Rocher Oui Oui base du rocher Mastoïde Oui Oui Tympanal Oui Oui Ecaille Non Non Canal facial Non Non Organe cochléo-vestibulaire Non Non Conduit auditif interne Non Non Chaine ossiculaire Oui luxation de l enclume Oui luxation de l enclume (fixée par courte apophyse incarcérée dans le foyer de fracture au niveau du recessus facial) + ouverture de l interligne malléo-incullaire Tegmen Oui Oui Structures vasculaires Non Non CAE Paroi antéro-infèrieure CAE Paroi postéro-supérieure Peau du conduit Tympan Oui Oui Oui Oui Oui Non Articulation temporo-mandibulaire Oui Oui Fractures associées Oui Os Sphénoïdal homolatéral (grande aile et paroi latérale du sinus sphénoïdal) Non Tableau 4 : PTB_4 Données anatomopathologiques : présence de traits de fracture 16

18 Dans l essai PTB_5, on observe une fracture mixte étendue du rocher associée à des fractures de la base du crâne et de la calvaria (figure 15 et tableau 5). Les 3 parties du rocher sont atteintes et plusieurs plans de fractures sont retrouvées. On retrouve un premier plan longitudinal extra labyrinthique à 5 du plan axial et à 55 du plan coronal. Il se prolonge en avant et en dedans au niveau de l os sphénoïdal homolatéral. Le deuxième plan est horizontal à partir du point d impact au niveau de la région mastoïdienne. Un troisième plan est transversal au niveau de l apex mastoïdien. Un quatrième plan, vertical, concerne l écaille et s étend à l os pariétal. a b c Figure 15 : PTB_5 fracture mixte extra labyrinthique a) plan axial b) plan coronal c) plan sagittal TDM Dissection Type Mixte extra labyrinthique Mixte extra labyrinthique Rocher Oui apex + toit Oui apex + toit Mastoïde Oui Oui épuisement du trait dans la suture temporo-occipitale en postérieure et dans le sinus latéral en profondeur Tympanal Oui Oui Ecaille Oui Oui Canal facial Non trait se terminant latéralement au foramen stylo-mastoïdien Non trait restant latéral à la 2 portion et au ganglion géniculé séparant le tegmen du bloc labyrinthique Organe cochléo-vestibulaire Non Non Conduit auditif interne Non Non Chaine ossiculaire Non Non Tegmen Oui toit de l antre/additus/attique Oui 2 traits parallèles détachant un volet osseux du toit de l antre/additus/attique Structures vasculaires Oui sinus latéral Oui sinus latéral CAE Paroi antéro-infèrieure CAE Paroi postéro-supérieure Peau du conduit Tympan Oui Oui Articulation temporo-mandibulaire Oui Oui Oui Oui trait postéro-inférieure Oui déchirure postéro-inférieure Oui perforation antero-supérieure Fractures associées Oui Os pariétal homolatéral + Os Oui Os pariétal homolatéral sphénoïdal homolatéral (paroi antérieure et postérieure du sinus + canal carotidien + synchondrose sphéno-pétreuse) + Os occipital (écaille) Tableau 5 : PTB_5 Données anatomopathologiques : présence de traits de fracture Le tableau 6 regroupe les mesures d UH sur TDM. On remarque que la minéralisation osseuse est moindre pour PTB_5. Cela expliquerait la plus grande extension des traits de fracture. PTB_2 PTB_3 PTB_4 PTB_5 Aire de mesure (cm 2 ) 1,49,992,985 1,49 Unité Hounsfield moyenne 329,736 34, ,33 87,411 Tableau 6 : Mesures d Unité Hounsfield sur TDM 17

19 Données biomécaniques Toutes les valeurs ont été rendues positives afin de faciliter l interprétation des graphiques. La Figure 16 représente l évolution temporelle du déplacement axial du vérin, de la vitesse du vérin et de l effort axial appliqué à notre segment corporel pour l essai PTB_2 (Autres essais : Annexes 3-4-5). 8 Newton Impact mm ,23,24,25,26,27,28,29,3,31, Sec 2 8 c Vitesse Force axiale Déplacement axial Figure 16 : PTB_2 Evolution temporelle du déplacement axial, de la vitesse du vérin et de l effort axial appliqué L évolution temporelle du déplacement axial du vérin (courbe bleue) traduit que le vérin part de 8 cm, réalise une course de 8 mm pour arriver au de référence ou point d impact, continue sa course sur 12 mm (compression de la tête), se stoppe puis remonte à 2 mm. L évolution temporelle de la vitesse du vérin (courbe rouge) nous confirme la vitesse de 2 m/s à l impact. La résistance de la structure étudiée couplée à la consigne appliquée explique le changement d allure de la courbe après l impact. L évolution temporelle de la force axiale du capteur d effort vertical est représentée par la courbe verte. Cette courbe concentrera notre analyse car apporte de nombreuses informations. Pour cela, elle a été rapportée pour chaque essai dans les figures 17a, 18a, 19a et 2a. PTB_2 PTB_3 PTB_4 PTB_5 Moyenne vitesse à l'impact (m/s) 2,56 2,92 2,75 2,92 2,7875 Compression maximale (mm) 12,4 12,29 12,4 12,8 48,81 force maximale (N) type de mise en tension courbe courbe courbe linéaire nombre de pic pic - compression (mm) 7,92 1,63 9,69 4,72 8,24 1 pic - force (N) pic - compression (mm) 12,2 12,27 1,4 11,44 2 pic - force (N) Durée phase endommagement/rupture (s),488282,97656,39625,585937,39625 Raideur (N/mm) 878, , , , ,5424 Tableau 7 : Résultats mécaniques principaux 18

20 a N Charge (quasi élastique) Mise en tension Impact Endommagement et Rupture Décharge 1,27,275,28,285,29,295,3 sec Force axiale 8 N 7 6 Charge 5 Impact Décharge b Force axiale mm Figure 17 : PTB_2 a) Evolution temporelle de l effort axial b) Effort axial en fonction du déplacement du vérin a 7 N ,28,285,29,295,3,35,31 sec Force axiale N 7 N b Force axiale N mm Figure 18 : PTB_3 a) Evolution temporelle de l effort axial b) Effort axial en fonction du déplacement du vérin 7 N a 1,275,28,285,29,295,3,35 Force axiale N sec 8 N b Force axiale N mm Figure 19 : PTB_4 a) Evolution temporelle de l effort axial b) Effort axial en fonction du déplacement du vérin 8 6 N 8 6 N a,285 2,29,295,3,35,31,315 sec Force axiale N b Force axiale N mm Figure 2 : PTB_5 a) Evolution temporelle de l effort axial b) Effort axial en fonction du déplacement du vérin 19

21 L effort maximal de nos essais est en moyenne de 664 N pour les 4 sujets. La phase initiale représente la mise en tension de la structure. Cette première phase pourrait traduire l influence des tissus mous contenus entre la plaque et la structure osseuse ainsi que la mise en tension de la boîte crânienne. Elle est retrouvée dans les essais PTB_2, PTB_3 et PTB_4. Notons que dans l essai PTB_5 cette phase de mise en tension est limitée. La phase ascendante de la courbe traduit la mise en charge de la structure. Elle est quasi linéaire et pourrait traduire le domaine élastique de la réponse mécanique de la structure. Cette phase se termine par l apparition de pics qui pourrait être associée à des endommagements et des ruptures de la structure. Dans les essais où une fracture étendue est produite, on observe 2 pics (PTB_2, 4 et 5). On peut supposer que dans ces cas le premier pic correspond à l initiation de la fracture puisque l énergie de compression basse brutalement. Le deuxième pic étant très proche du point de compression maximal (12 mm), nous pouvons considérer qu il s agit du début de la décharge de la structure et donc de l arrêt de l endommagement de la structure. Dans l essai PTB_3 où la fracture produite est limitée, on observe un seul pic proche du point de compression maximal. Il est important de rapporter que la durée de cette phase est proportionnelle à l étendue de la fracture observée. La phase descendante de la courbe représente la décharge de la structure. Cette phase est fortement linéaire. Au décours, la structure retrouve sa position initiale ou une déformation résiduelle induite par le traumatisme. Sur ces quatre premiers essais, on observe une très forte similitude dans les résultats tant dans la phase de charge, d endommagement/rupture et de décharge (Figure 21). 8 N 6 4 2,276,281,286,291,296 2 sec PTB_2 N PTB_3 N PTB_4 N PTB_5 N Figure 21 : Evolution temporelle de l effort axial des 4 essais La relation force déplacement du vérin est représenté par les figures 17b, 18b, 19b et 2b. Cette courbe correspond aux profils de charge et de décharge de la structure. La pente de la phase de charge (ou du domaine élastique) représente la raideur extrinsèque K de la structure (Figure 6). Sa valeur est minimale pour PTB_3 où une fracture localisée est retrouvée, et maximale pour PTB_5 où une fracture mixte étendue est observée. L aire de cette courbe traduit l énergie échangée lors du processus de chargement et l ensemble des processus irréversibles que notre essai a induit dans la structure. Ces processus irréversibles sont à la fois les fractures et ruptures induites mais également les propriétés viscoélastiques de la structure. Il est bien observé que cette aire est maximale dans l essai PTB_5 où une fracture étendue est observée. 2

22 V DISCUSSION L étape préliminaire à cette étude expérimentale était de développer un modèle de l os temporal à l aide de la méthode des éléments finis intégrant les propriétés biomécaniques de la structure osseuse céphalique et permettant de simuler la réponse à un traumatisme crânien latéral. Dans la littérature, les fractures longitudinales font suite à un choc latéral temporo pariétal tel que réalisé dans notre étude, alors que les fractures transversales nécessitent un impact occipital ou sur le vertex. Cette étape analytique a permis de proposer un premier modèle éléments finis détaillé de la structure osseuse de la région pétreuse permettant d appréhender les processus d apparition de fractures lors des traumatismes cranio-encéphaliques. Il s agit d un modèle extrêmement précis puisque le maillage se base sur des éléments de,13 à 1 mm. Ce nouvel outil de travail permet d étudier la biomécanique appliquée en pathologie humaine. Sa conception fait suite à une demande dans le domaine de la traumatologie et de l accidentologie virtuelle. Le domaine virtuel tend à compléter voire à supplanter le domaine expérimental, plus lourd, plus couteux et plus complexe. Compte tenu des conditions de chocs reproduites, l étude analytique a été focalisée sur la description d une fracture longitudinale extra labyrinthique dans un plan coronal vertical parallèle à l axe de la pyramide pétreuse, secondaire à un choc direct latéral. La convergence des 3 traits de fracture vers la région de l oreille moyenne, de l os tympanal et du méat acoustique externe montre qu il existe une zone de faiblesse en rapport avec la morphologie du diploïde. Notre modélisation est basée sur la morphologie externe de la structure osseuse, les différentes cavités et canaux intrapétreux n étant pas incorporés. Ce choix a été fait afin de permettre la réalisation d un modèle extrêmement détaillé (éléments de,13 à 1 mm). Les temps de calculs de notre modèle seraient largement augmentés si ces éléments étaient rajoutés. Les lois de comportements de notre modèle ont été validées pour la structure osseuse céphalique (Willinger, 23), mais restent macroscopiques. Le tissu osseux de la région pétreuse est hétérogène et présente donc probablement des propriétés biomécaniques différentes selon les régions étudiées. Le rocher modélisé reste isolé. Afin de reproduire les effets de structure, particulièrement les déformations de la boîte crânienne, des interfaces ont été utilisées. Mais elles ne sont pas strictement identiques, cela rajoutant une limite à notre modèle. Le projet de ce Master 2 recherche était de réaliser une étude expérimentale de traumatismes crâniens latéraux sur segments corporels isolés afin d étudier les paramètres anatomopathologiques et biomécaniques, puis valider notre modèle numérique. Nos résultats anatomopathologiques montrent une grande corrélation entre l examen tomodensitométrique et la dissection chirurgicale. Ces deux approches sont donc de bons moyens d expertise des lésions traumatiques de la région pétreuse pour notre étude ; en effet, aucune discordance n est retrouvée malgré une analyse indépendante. En pratique clinique, le choix de la TDM comme examen de référence des fractures du rocher est confirmé par cette étude. Les 4 traumatismes temporaux provoquent tous des fractures du crâne, à basse vitesse (2 m/s ou 7,2 km/h) et avec une compression de la boîte crânienne limitée à 12 mm. Le choix de ces paramètres était motivé par le désir d éviter la constitution de fractures comminutives ou de fracas étendus de la boîte crânienne (Travis, 1977). Des chocs directs latéraux, même à basse vitesse, sont donc responsables de fractures de la boîte crânienne. Toutes ces fractures atteignent l os temporal. Cela confirme la fragilité de la région pétreuse au traumatisme temporal direct. 21