Anatomie générale du système squelettique (Avertissement : Nous n exposerons pas la description de la partie cartilagineuse du squelette et la description d un os type est celle d un os long des membres.) 1 Définition : Le système squelettique comprend l ensemble des structures rigides qui contribuent au maintien de l organisme. Il peut être osseux ou cartilagineux. Chez l homme, il s agit d un endosquelette, c est à dire situé à l intérieur du corps, à l inverse d un exosquelette (ex : insecte) situé en surface de l organisme. Il est plurisegmentaire, divisé en squelette axial (où l on retrouve les vertèbres, le thorax, le bassin, la face et le crâne constitué de la voûte ou calvaria et de la base du crâne) et en squelette appendiculaire pour les membres. Il existe ainsi 206 os constants. L étude du système squelettique osseux constitue l ostéologie. Les os de la tête regroupent les os du crâne (pariétaux, temporaux, frontal, ethmoïde, sphénoïde, occipital), les osselets de l oreille moyenne (malleus, incus, stapès) et les os de la face (vomer, maxillaire, lacrymal, palatin, cornet nasal inférieur, nasal, zygomatique, mandibule). A la limite supérieure du cou se situe l os hyoïde. La colonne vertébrale est constituée de sept vertèbres cervicales, douze vertèbres thoraciques, cinq vertèbres lombaires, le sacrum et le coccyx. Le thorax est composé de douze paires de côtes et du sternum. Le squelette du membre supérieur comprend la clavicule, la scapula (qui forment la ceinture du membre supérieur), l humérus, l ulna, le radius, le carpe (scaphoïde, lunatum, triquetrum, pisiforme, trapèze, trapézoïde, capitatum et hamatum), cinq métacarpiens, et quatorze phalanges. Le squelette d un membre inférieur comprend un os coxal (qui forme avec son homologue controlatéral la ceinture du membre inférieur), le fémur, la patella, le tibia, la fibula, le tarse (calcaneus, talus, naviculaire, cuboïde, trois cunéiformes), les cinq métatarsiens et quatorze phalanges. Il existe par ailleurs des os surnuméraires, inconstants, comme les sésamoïdes et des os doubles, en deux parties comme la patella bipartite. 2 Rôles : En plus du rôle de maintien de l organisme, l appareil squelettique permet la mobilisation des différents segments les uns par rapports aux autres au sein des articulations. Il permet les attaches musculaires et ligamentaires. Les os ont aussi un rôle métabolique important, notamment dans les échanges et le stockage du calcium (près de 99% de la totalité du calcium de l organisme est contenu dans les os). Ils ont un rôle essentiel dans l hématopoïèse formation de cellules sanguines (surtout au niveau du sternum ou de l os iliaque chez l adulte) (fig 1). Certains os ont aussi un rôle de protection (exemple du crâne protégeant le cerveau).
Figure 1 : Rôles mécaniques, métaboliques et hématopoïétique du système squelettique osseux 3 Pathologies : Les fractures sont fréquentes. Les infections osseuses (ostéite suppurée, ostéomyélite) existent. L ostéoporose est l une des maladies épidémiques chez la personne âgée. Le rachitisme est fréquent dans pays sous-développés. Les cancers osseux primitifs sont heureusement rares, mais les cancers secondaires (métastases osseuses) sont fréquents. Les localisations osseuses de maladies du sang (myélome par exemple) sont classiques. L ostéogenèse imparfaite (maladie des os de verre) touche les enfants. L achondroplasie explique certains nanismes. 4 Organogenèse : Le système squelettique dérive d un mésenchyme totipotent, le mésoderme qui se sépare en dermotome pour le revêtement cutané, en myotome pour les muscles et en sclérotome pour le tissu conjonctif et le squelette. En dehors de la formation du crâne et de la face, le mésoderme est situé soit en position para-axial (à côté de l axe du corps, centré par la tige notochordale antérieure au tube nerveux primitif), soit dans les bourgeons des membres qui apparaissent lors de la quatrième semaine de vie in utero (fig 2). A ce moment, l embryon présente des bosselures dorso-latérales ou somites qui définiront les futurs étages (dermatomes, nerfs spinaux, vertèbres dont sept cervicales, douze thoraciques, cinq lombaires, cinq sacrées et trois à cinq coccygiennes). Les bourgeons des membres crâniaux (qui deviendront les membres supérieurs) se localisent entre le cinquième somite cervical et le premier somite thoracique. Les bourgeons des membres caudaux (qui deviendront les membres inférieurs) se localisent entre le quatrième somite lombaire et le troisième somite sacré.
Il existe deux types de transformation du mésoderme en squelette osseux, l ossification de membrane et l ossification endochondrale. Figure 2 : Schéma en vue latérale d un embryon à 4 semaine de vie intra-utérine 4.1 L ossification de membrane : Des cellules ostéoblastiques envahissent du centre vers la périphérie le mésoderme. L envahissement se produit en «tâche d huile». Le plus souvent, l os ainsi formé est un os plat appelé diploïque, composé d une table interne et d une table externe entre lesquelles se trouve de l os spongieux appelé diploé. Cette formation intéresse essentiellement le crâne et certains os de la face (fig 3). Figure 3 : Principes de l ossification de membrane. A : Envahissement du mésenchyme totipotent par un tissu osseux. B : Ossification en tâche d huile. C : Os plat issu d une ossification de membrane
4.2 L ossification endochondrale : Dans l ossification endochondrale, ce sont des cellules cartilagineuses (chondroblastes) qui envahissent le mésoderme jusqu à former dans un premier temps un noyau cartilagineux. Ce noyau cartilagineux est entouré d une gaine fibreuse appelé virole périchondrale. Des ostéoblastes envahissent le centre de ce noyau cartilagineux pour former le noyau d ossification primaire. Cette transformation osseuse est centrifuge jusqu à la virole périchondrale qui devient alors le périoste. La couche osseuse située juste en profondeur du périoste est responsable de la croissance de l os en largeur. C est la croissance périostée. Le noyau d ossification primaire est ensuite creusé par un pédicule vasculaire dont l artère nourricière de l os. Le plus souvent et pour l exemple du squelette appendiculaire, les extrémités du noyau restent cartilagineuses. Ces extrémités sont ensuite envahies par d autres noyaux osseux appelés noyaux d ossification secondaires. Il reste une surface chondrale recouvrant les noyaux d ossification secondaire dont une partie forme le cartilage articulaire et dont l autre partie est au contact du noyau d ossification primaire. Ce cartilage compris entre les noyaux d ossification primaire et secondaire est appelé cartilage de croissance, ou cartilage de conjugaison. Il est responsable de la croissance en longueur de l os. Ils disparaissent au fur et à mesure de la croissance par soudure des noyaux d ossification pour ne laisser qu une pièce osseuse unique (fig 4). Figure 4 : Schémas de l ossification endochondrale
La différenciation cartilagineuse débute à la cinquième semaine de la vie in utéro et l ossification proprement dite (noyau d ossification primaire) débute à la fin de la période embryonnaire. Les noyaux d ossification secondaire apparaissent après la naissance. La croissance osseuse est sous la dépendance de nombreux facteurs génétique, hormonal (hormone de croissance, hormones sexuelles, hormone thyroïdienne) nutritionnel (vitamine D), et mécanique (sport, activités physiques, ). Pour chacun des os des membres, les cartilages de croissance les plus actifs sont situés près des genoux et loin des coudes. Le cartilage de croissance n est pas visible sur des radiographies, contrairement aux noyaux d ossification. Il est alors possible de définir un âge osseux en fonction (fig 5). Cette croissance liée au cartilage de conjugaison est déficitaire dans le nanisme achondroplasique. Elle peut être atteinte (par décollement épiphysaire traumatique, par exemple) sur tout ou partie du cartilage de croissance, c est l épiphysiodèse qui peut se compliquer ultérieurement d une désaxation de l extrémité osseuse (fig 6). Figure 5 : Exemple d évaluation de l âge osseux et du potentiel de croissance restante selon Risser. Il est réalisé à partie d une radiographie standard de l os coxal et s intéresse à l ossification de la crête iliaque Au stade 0, il n existe pas d ossification de la crête iliaque. Au stade 1, le noyau d ossification secondaire apparaît dans la portion latérale. Au stade 2, le noyau d ossification a envahi plus de la moitié du cartilage primitif. Au stade 3, la crête est complètement ossifiée. Au stade 4, le noyau d ossification se soude de dedans en dehors à l aile iliaque par disparition du cartilage de croissance. Au stade 5, il est pratiquement complètement fusionné. Au stade 6, il est d aspect adulte. Figure 6 : Schéma montrant le cartilage de croissance distal de l humérus atteint par un traumatisme de type décollement épiphysaire («étoile») et l évolution possible avec une désaxation en valgus de l épiphyse (axe «B») par rapport à l axe d une croissance normale (axe «A»).
5 Structure : Dans l exemple type (fig 7), un os du squelette appendiculaire est donc recouvert de cartilage articulaire à chaque extrémité. Dans sa partie centrale, il est formé d un os périphérique appelé os cortical entouré d un périoste et d un os central appelé os spongieux au sein de laquelle se trouve une cavité appelée cavité médullaire. Le périoste est une membrane fibreuse périosseuse très résistante, surtout chez l enfant. Il contribue aux attaches musculaires, tendineuses ou ligamentaires par sa couche externe et contribue à l ostéogenèse par sa couche interne. L os cortical est très dur et très résistant. L os spongieux est moins résistant et de disposition plus éparse. Hormis quelques os qui possèdent une moelle hématopoïétique ou moelle rouge dans l os spongieux, la cavité médullaire contient surtout des lobules graisseux décrivant la moelle jaune. Mais la cavité médullaire contient aussi le pédicule vasculo-nerveux nourricier de l os. L os est aussi vascularisé aux extrémités par les artères péri-articulaires nombreuses et par les artères musculaires qui donnent des branches au périoste alors très vascularisé. Enfin, les vaisseaux lymphatiques existent surtout à la surface du périoste. En cas de fracture, l os saigne. Par exemple, une fracture de la diaphyse fémorale peut entraîner une hémorragie de plus d un litre de sang. Cependant, certaines parties de quelques os comme la tête fémorale possède une vascularisation dite terminale. L atteinte des vaisseaux nourriciers entraîne alors une nécrose osseuse. L existence de vaisseaux intramédullaires explique la possibilité de métastases. L innervation explique les douleurs osseuses. Figure 7 : Schéma de la structure générale d un os du squelette appendiculaire
6 Classifications morphologiques : Les os peuvent être décrit de différents types selon leur forme. S il existe des variations de dimensions d un individu à l autre, les os d un même individu ont des rapports proportionnels avec la taille et entre eux, en fonction de l âge, du sexe ou parfois d appartenance à un groupe ethnique. 6.1 Les os longs : Les os longs sont définis par une longueur nettement supérieure à la largeur ou à l épaisseur (fig 8). Ce type concerne la plupart des os du squelette appendiculaire (par exemple au membre supérieur : humérus, radius, ulna, métacarpiens, phalanges). Pour ces os, les extrémités sont appelées épiphyses proximale ou distale. La partie centrale, où se trouve l essentiel de l os cortical est appelée diaphyse. La diaphyse est divisée en tiers proximal, moyen et distal. La partie intermédiaire, reliant la diaphyse à l épiphyse est appelée métaphyse. Figure 8 : Schéma d un os long exemple du fémur droit
6.2 Les os courts : Ils sont définis par des dimensions sensiblement identiques (par exemple : la patella ou les os du carpe) (fig 9). 6.3 Les os plats : Figure 9 : Exemples d os courts. A gauche : la patella en vue antérieure et en vue latérale droite. A droite : les os du carpe droit en vue antérieure Ils sont définis par une faible épaisseur. La plupart d entre eux dérivent d une ossification de membrane, mais pas tous. Il s agit essentiellement des os de la calvaria, des os de la face, mais aussi du sternum, par exemple (fig 10). Certains os, très minces, sont appelés papyracés, comme la lame perpendiculaire de l ethmoïde ou le vomer dans les fosses nasales. Figure 10 : Exemples d os plats. A gauche : le crâne en vue latérale droite. A droite : Le sternum en vue antérieure et en vue latérale droite
6.4 Les os irréguliers : Ils sont ainsi appelés car leurs formes ne correspondent à aucune des descriptions précédentes. L exemple type est la vertèbre (fig 11). 6.5 Autres : Figure 11 : Exemple d un os irrégulier : la vertèbre type. A gauche : vue supérieure. A droite : Vue latérale gauche Certains os sont creux et contiennent un organe (par exemple, l os pétreux contient l oreille interne). D autres sont pneumatiques et contiennent de l air (par exemple, l os maxillaire (fig 12), l os frontal, l ethmoïde, le sphénoïde, le temporal sont creusés de sinus ou de cellules). Figure 12 : Exemple d un os pneumatique : le maxillaire droit en vue antérieure, montrant la présence d une cavité, le sinus maxillaire, qui communique avec les fosses nasales.
7 Caractères morphologiques externes Les os ne possèdent pas de surface strictement lisse et régulière. Ils sont formés de reliefs (pour les insertions musculaires, tendineuses ou ligamentaires, par exemple) et de dépressions (pour laisser cheminer un tendon, un muscle, un vaisseau ou un nerf, par exemple) (fig 13). 7.1 Les reliefs : Ils sont appelés tête lorsqu il s agit d une portion nettement détachée et articulaire, condyle lorsqu il s agit d une portion articulaire mais nettement moins détachée, processus lorsqu il s agit d une excroissance osseuse volumineuse nettement détachée de l os, tubérosité lorsqu il s agit d une saillie moins développée et moins détachée de l os, tubercule lorsque la saillie est peu étendue, épine lorsqu elle a une forme globale de pointe, crête lorsqu elle a d aspect linéaires. 7.2 Les dépressions : Elles sont appelées fosse lorsqu elle situe une insertion musculaire étendue, sillon lorsqu elle laisse un passage étroit à un tendon, un nerf ou une vaisseau, incisure lorsqu il s agit d une encoche sur un bord de l os, foramen lorsqu il s agit d un véritable trou dans l os.
Figure 13 : Exemples de pièces osseuses montrant des reliefs et des dépressions. A : Vue antérieure de la symphyse pubienne. B : Vue antérieure de l extrémité supérieure du fémur. C : Vue latérale droite d un os coxal. D : Vue antérieure de la scapula et de l extrémité supérieure de l humérus
8 Aspects fonctionnels : L os se doit d être à la fois léger, rigide, résistant et élastique. 8.1 Rappels histologiques : L unité histo-physiologique de base est l ostéon. Elle est constituée par un canalicule vasculaire et des lamelles concentriques (fig 14). Les ostéoblastes produisent la substance osseuse composée de substance fondamentale (mucoprotéines imprégnées de sels minéraux sous forme de cristaux) dans laquelle sont noyées des fibres collagènes et élastiques. L activité de ces ostéoblastes diminue lorsque ces cellules sont englobées au sein de l ostéon. A l inverse, les ostéoclastes résorbent la substance osseuse. Il y a donc un remodelage, c est à dire une balance formation - résorption de matière osseuse permanente tout le long de la vie, mais ralentissant avec un âge avancé. A la coupe, l os présente de l extérieur vers l intérieur de l os compact ou cortical, de l os spongieux et une cavité médullaire (fig 15). L indice d épaisseur cortico-médullaire définit le rapport du diamètre de la cavité médullaire sur le diamètre externe de l os. Il est variable selon l âge, de 0,34 chez l enfant à 0,50 chez l adulte (fig 16). Figure 14 : Ostéon Figure 15 : Schéma de l organisation structurelle des ostéons. Figure 16 : Mesure de l indice cortico-médullaire défini par M/C
8.2 Forces exercées : Même dans des conditions normales, l os est soumis à des contraintes permanentes. Il existe ainsi des contraintes en compression axiale (comme le poids s opposant à la réaction du sol) contre lesquelles l os à une résistance approximative de 2000 kgs/cm². Il existe aussi des contraintes en traction (résistance de 1000 kgs/cm²), des contraintes en torsion, en cisaillement ou en flexion. L excès d intensité de ces contraintes ou la répétition de ces contraintes peut aboutir à une rupture de l os, c est à dire à une fracture (fig 17). Figure 17 : Principales contraintes exercées sur un os long. A : en compression (tibia). B : en traction (humérus). C : en torsion (humérus). D : en cisaillement (tibia). E : en flexion (radius) 8.3 Os compact : Il constitue la coque externe et comprend des lamelles concentriques et des ostéons disposés de façon dense et orienté dans l axe général de l os. La disposition en lamelles concentriques permet d absorber une partie des forces entre chaque lamelle et ainsi de protéger d une fracture complète (fig 18). La disposition très dense de l os compact permet de supporter l essentiel des contraintes axiales soumises à l os. Figure 18 : Lors d un mécanisme de fracture, une partie de l énergie traumatique est absorbée entre les lamelles de l os cortical.
8.4 Os spongieux Il est plus friable. Il est aussi composé de lamelles et d ostéons plus éparses, mais parfois regroupés en trabécules dont l orientation répond aux contraintes mécaniques qui s y exercent. L os spongieux s adapte à la fonction de l os. Ainsi, des dispositions particulières de ces trabécules sont retrouvées aux épiphyses et métaphyses de façon à diriger les forces exercées soit d une surface articulaire vers l os compact, soit de l os compact vers la surface articulaire. Il est ainsi décrit un système trabéculaire classique ogival (par exemple au tibia proximal) (fig 19). Ces travées peuvent expliquer l existence d éperon osseux (par exemple au fémur proximal) ou l existence de zone de fragilité intraosseuse (par exemple au col du fémur ou entre les massifs trochantériens fémoraux expliquant la fréquence des fractures du col du fémur chez la personne âgée dont l os est devenue porotique, c est à dire moins dense, ou encore au sein du corps vertébral expliquant la fréquence des tassements vertébraux de la même personne âgée). Figure 19 : Schémas montrant les dispositions des trabécules de l os spongieux. A : au tibia proximal avec un système ogival classique (P : poids du corps). B : au fémur proximal avec un renforcement cortical médial très dense et des points de fragilité expliquant les fractures (P : poids du corps et F : traction des muscles fessiers). C : au sein d une vertèbre montrant la répartition des trabécules entre le corps vertébral et les processus articulaires.