Modélisation DEM de la rupture de l’ensemble {triceps sural + tendon d’Achille}

 Introduction

Afin de mieux comprendre la rupture du MTC, des essais expérimentaux sont réalisés, ces derniers servent de comparaison et de base de données permettant ainsi de valider les essais numériques. Ces essais sont réalisés sur l’ensemble {triceps sural + tendon d’Achille (TA)} (Figure 90). Figure 90 : Description anatomique du triceps sural et du tendon d’Achille Le TA est le site le plus fréquent de rupture tendineuse spontanée (Lantto et al., 2014). Une augmentation des cas de rupture du TA est constatée (Leppilahti et al., 1996, Hess et al., 2010), avec une incidence augmentée d’un facteur dix depuis les années 1980 (Lantto et al., 2014). Cette augmentation s’explique en partie par un accroissement de la pratique sportive (Hess et al., 2010), souvent occasionnelle chez des sujets peu entrainés (Jozsa et al., 1989), avec une incidence majoritaire chez les sujets de sexe masculin, entre 30 et 40 ans (Leppilahti et al., 1996). Souvent, la rupture est le stade ultime d’une tendinopathie (Hess et al., 1999). Cependant, ces ruptures sont encore mal comprises, tant au niveau des mécanismes mis en jeu que des structures impliquées ou pour la localisation exacte de la rupture (Song et al., 2004, Riggin et al., 2014). L’étude de la rupture du TA est intéressante au point de vue médical : la comprendre, puis l’étudier et enfin la diagnostiquer dans un but de prévention. Un modèle de l’ensemble {triceps sural + TA} est réalisé afin d’obtenir une géométrie et une anatomie les plus proches des spécimens anatomiques étudiés. Ce modèle, plus fin, est ensuite validé sur les mêmes critères que précédemment, en comparaison avec les résultats expérimentaux. Modélisation DEM de la rupture de l’ensemble {triceps sural + tendon d’Achille}. Comparaison avec les essais expérimentaux Partie III – Modélisation de la rupture du complexe musculo-tendineux par la méthode des éléments discrets. Comparaison avec les résultats expérimentaux 

Matériels et Méthodes 

Essais expérimentaux

 Sujets étudiés Quatorze membres inférieurs de Sujets Humains Post-Mortem (SHPM) congelés comprenant le fémur (avec l’insertion des gastrocnémiens) jusqu’au pied (avec l’insertion calcanéenne du TA), ont été utilisés. Les pièces anatomiques proviennent de dix SHPM frais (un mois après décès) dont 8 femmes et 2 hommes, et dont l’âge au moment du décès varie entre 81 ans et 97 ans (moyenne : 87,9 ans, écart type : 5,7 ans), prélevées au Centre du Don des Corps des Saints Pères, Université Paris Descartes, Paris, France. Chaque pièce anatomique a été soigneusement examinée à la recherche des critères d’exclusion suivants : cicatrices (plaies opératoires du genou à la cheville), malformations/déformations au niveau de la jambe, de la cheville et du pied, état trophique locorégional altéré (escarres, plaies, …). Les pièces ont été décongelées par exposition à la température ambiante (20 °C) de la salle de chirurgie pendant environ 18 h. 

Structures anatomiques étudiées

Lors de ces essais expérimentaux, les principales structures anatomiques étudiées sont le triceps sural (principaux muscles constituant le « mollet ») et le tendon d’Achille. Le triceps sural est un groupe de trois muscles (le muscle soléaire, profond, et les deux muscles gastrocnémiens, ou jumeaux, superficiels), dont les tendons distaux se rejoignent pour le TA à la partie distale de la jambe. Le TA s’insère sur le calcanéum. Les extrémités tendineuses proximales du triceps sural s’insèrent, quant à elles, au niveau de la partie distale du fémur, pour les muscles gastrocnémiens, et au niveau du tibia, pour le muscle soléaire. Les propriétés mécaniques du TA (développées dans la partie bibliographique) ont été étudiées par Wren et al. (2001), Magnusson et al. (2003), Csapo et al. (2010), Zhao et al. (2011), Peltonen et al. (2012, 2013), Harsen et al. (2013).

Protocole expérimental 

Etudes préliminaires : Corrélations entre l’essai de traction et l’élastographie Les essais expérimentaux de traction jusqu’à rupture réalisés sur l’ensemble {triceps sural + TA} de SHPM s’insèrent dans un projet global réalisé avec le chirurgien orthopédique Thomas-Xavier HAEN (Hôpital Raymond Poincaré, Garches). Ce projet a pour objectif de prédire cliniquement la rupture du tendon d’Achille. A cette fin, nous avons étudié la corrélation entre une mesure élastographique du TA et les données mécaniques obtenues lors d’essais de traction. Trois raisons essentielles motivent ce projet. En premier lieu, la littérature n’a pas encore proposé de protocole d’évaluation clinique reproductible des propriétés biomécaniques du TA avec l’élastographie, ce qui est un prérequis indispensable à l’utilisation de l’élastographie comme méthode de suivi de la cicatrisation du TA rompu. En deuxième lieu, le respect des considérations éthiques interdisant de soumettre des sujets à des tests expérimentaux justifie le recours au sujet cadavérique et de sa transposabilité au sujet vivant. Enfin, il n’a pas été établi, à notre connaissance, de corrélation sur tendon d’Achille humain entre les données fournies par l’élastographie et les tests mécaniques expérimentaux, qui restent la référence.Préalablement, une étude de reproductibilité sur les pièces anatomiques a été faite par élastographie en position « simili-clinique » : les pièces cadavériques ont été positionnées sur la table d’examen, selon la même orientation qu’un sujet en décubitus ventral. Trois positions de cheville ont été étudiées (position neutre, flexion plantaire maximale et flexion dorsale maximale) afin de déterminer la reproductibilité de nos mesures sur SHPM (Haen et al., 2015) (Figure 91). La reproductibilité est assez élevée : 22,1 % en position neutre, 33,4 % en flexion plantaire maximale et 20,7 % en flexion dorsale maximale. Figure 91 : Différentes positions de cheville A. Position neutre B. Flexion plantaire maximale B. Flexion dorsale maximale (illustration M. Soubeyrand) Cette étude a été réalisée sur plusieurs niveaux du TA, plus ou moins éloignées de l’insertion dans le calcanéum (Figure 92). Figure 92 : Différents niveaux de la sonde d’échographie sur le tendon d’Achille (illustration M. Soubeyrand) Dans cette étude préliminaire, les pièces anatomiques sont préparées puis soumises à des tests progressifs en traction afin de déterminer leurs courbes de contrainte/déformation. Ces tests sont effectués à 3 vitesses de sollicitation (2, 1 et 0,5 mm/s) dans un ordre aléatoire. Le déplacement maximal imposé est de 20 mm. La déformation du tendon est suivie par une caméra ultra-rapide pour suivre le mouchetis sur le TA et, par la suite, effectuer la corrélation d’image sur ce dernier ; nous pouvons ainsi connaitre la déformation du TA tout au long de l’essai. La force appliquée au TA étant connue via les données fournies par la machine de traction, il est possible, en utilisant les données géométriques du TA, d’obtenir la contrainte dans le TA au cours de la sollicitation de traction. A partir de la courbe contrainte/déformation du tendon, nous déterminons le module d’élasticité apparent du tendon. Des mesures élastographiques (SWE) ont aussi été réalisées pendant les essais de traction afin de pouvoir corréler les données mécaniques issues de la machine de traction aux mesures du module de cisaillement données par SWE. Dans le cadre des petites déformations, une corrélation a été obtenue entre le module de cisaillement du TA (SWE) et le module d’élasticité apparent du TA (machine de traction). Pour de plus grandes déformations, la corrélation est moins évidente, ceci étant dû, en partie aux grandes déformations subies par l’ensemble {triceps sural + TA}, à l’implantation hélicoïdale des fibres du TA et à leur rotation lors de ces grandes déformations.