À l'Empa, des scientifiques étudient les causes biomécaniques des douleurs qui affectent la région des vertèbres lombaires. En combinant simulations informatiques et vidéoradiographies en 3D, ils parviennent à identifier les efforts éprouvants pour le dos. L’objectif de ces travaux: mieux planifier les opérations et développer de nouveaux implants.

Les ingénieurs mécaniciens Ameet Aiyangar (à g.) et Bernhard Weisse. (Photos: Kellenberger Kaminski Photographie)

«Nous voulons comprendre le fonctionnement des articulations de la colonne vertébrale», explique Ameet Aiyangar, qui étudie à l’Empa l’appareil locomoteur humain en s’appuyant sur une méthode innovante. Grâce à des simulations informatiques, il peut visualiser la répartition des forces dans le dos, quand une personne soulève une charge. Mais la conformité de ces calculs avec la réalité dépend de la précision des entrées du modèle informatique. «Et, jusqu’à présent, c’est là qu’était le problème», confirme Bernhard Weisse, responsable du groupe de recherche Biomedical Engineering and Structural Mechanics au sein du département Mechanical Systems Engineering de l’Empa.

«Ce travail innovant combine données expérimentales et simulations informatiques: nous pouvons vérifier les résultats», dit Bernhard Weisse.

Comment les corps vertébraux se déplacent-ils lorsque l’on se baisse et soulève une charge? Jusque-là, c’était difficile de le savoir parce que l’on était incapable de mesurer directement le mouvement dynamique des os. On ne disposait que de radiographies statiques. «Nous avions besoin d’un partenaire pour obtenir des meilleures simulations», poursuit Ameet Aiyangar, qui avait auparavant travaillé à l’Université de Pittsburgh et a reçu un subside Ambizione du Fonds National Suisse (FNS). Aux États-Unis, il a participé à la construction d’un système de vidéoradiographie en 3D unique en son genre, appelé Digital Stereo-X-Ray (DSX), qui permet de visualiser les mouvements de la colonne vertébrale. Une collaboration entre les chercheurs de l’Empa et l’Université de Pittsburgh tombait donc sous le sens.

Le groupe de recherche a étudié douze adultes en bonne santé à l’aide de l’appareil de Pittsburgh. Les volontaires devaient soulever des charges de 4,5 à 13,5 kilogrammes. L’appareil enregistrait l’exercice, qui durait à peu près deux secondes, dans deux directions et avec 30 images à la seconde. Point positif: la dose de rayonnement était très faible. «Nous pouvions voir directement comment les os se déplaçaient, à 0,2 millimètre près», commente Ameet Aiyangar. Un autre projet a suivi: des mesures DSX ont été effectuées sur dix personnes, avant une opération du dos et six mois après.

Les pôles de rotation se déplacent

Grâce aux vidéoradiographies, la migration des pôles de rotation autour desquels tournent les vertèbres de la région lombaire lorsque l’on se baisse et se redresse ainsi que les mouvements translatoires peuvent être mesurés très précisément, ce qui constitue une vraie avancée pour les personnes souffrant du dos. Chez les volontaires, les ingénieurs ont observé, des mouvements translatoires pouvant atteindre les dix millimètres lors d’un mouvement de flexion à 75°. Chez les personnes atteintes de dégénérescence, ce chiffre tend à être élevé, tandis que le parcours de migration des pôles de rotation est très irrégulier. Le chercheur de l’Empa a donc entré ces valeurs dans son programme de simulation et s’est rendu compte que l’impact du déplacement au niveau des forces internes était encore supérieur. «Jusque-là, on avait négligé les mouvements translatoires au sein des articulations, mais nos simulations montrent que le déplacement des pôles de rotation impacte les forces au sein du disque intervertébral», explique Ameet Aiyangar.

Les ingénieurs mécaniciens Ameet Aiyangar (à g.) et Bernhard Weisse. (Photos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Pour ses calculs, l’ingénieur utilise un programme de l’Université de Stanford qu’il a perfectionné. Il se sert de la répartition des forces calculée pour déterminer la sollicitation locale des disques intervertébraux dans la région lombaire puis compare le résultat aux valeurs mesurées. «Ce travail innovant combine données expérimentales et simulations informatiques: nous pouvons vérifier les résultats», se félicite Bernhard Weisse. C’est décisif pour le traitement des patients souffrant du dos.

Lorsque la kinésithérapie et les analgésiques ont atteint leur limite, on procède fréquemment à une opération de fusion des vertèbres. Mais souvent, les douleurs reviennent au bout de quelques années parce que les segments vertébraux voisins sont plus sollicités. «Nous espérons que nos travaux de recherche profiteront aux interventions chirurgicales qui seront effectuées dans les cinq à dix années à venir», confie Bernhard Weisse. Les médecins pourraient ainsi offrir un traitement plus individualisé et plus ciblé, comme le prévoit la médecine personnalisée, et sauraient mieux à qui conseiller l’implant et déconseiller la fusion. Les résultats pourraient contribuer au développement de prothèses discales, qui reproduiraient plus fidèlement les mouvements naturels d’un dos en bonne santé.