PHYSIOLOGIE ET MECANIQUE DES DISQUES André VAN CUYCK ...

PHYSIOLOGIE ET MECANIQUE DES DISQUES
André VAN CUYCK, Eric MILON
R.E.R. Volume 13, N° 39 p. 1619
ANATOMIE
Le disque intervertébral est un fibro-cartilage
interposé entre deux vertèbres, en forme de lentille
bi-convexe.
Il est composé de trois parties principales :
1) les plaques cartilagineuses vertébrales,
adhérentes aux plateaux vertébraux adjacents,
dont la partie centrale est criblée de fins orifices
permettant les échanges liquidiens entre disque
et os vertébral.
2) L’annulus fibrosus en périphérie, formé
d’une vingtaine de lamelles concentriques intriquées,
dont la direction des fibres varie d’une
lamelle à l’autre.
ANATOMIA
Il disco intervertebrale è una fibro-cartilagine
interposta tra due vertebre, a forma di lenticchia
biconvessa.
E’ composta da tre parti principali :
1/ le placche cartilaginosi vertebrali, aderenti
ai piatti vertebrali adgiacenti , di cui la
parte centrale è crivellata di fini bucchi che
permettono gli scambi liquidei tra dischi e osso
vertebrale.
2/ L’annulus fibrosus in periferia, formato di
una ventina di lamelle concentriche intricate, di
cui la direzione delle fibre varia da una lamella
all’altra.
3/ Il nucleo pulposus, massa gelatinosa che
occupa la metà del volume del disco, molto
ANATOMY
The intervertebral disc is a fibro-cartilage interposed
between two vertebrae, in the biconvex
shape of lens.
It is composed of three principal parts:
1) The vertebral cartilaginous plates adherent
with the adjacent vertebral plates, of which the
central part is sifted with fine openings allowing
the liquid exchanges between disc and vertebral
bone.
2) The annulus fibrosus in periphery, formed
of about twenty of intricate concentric plates,
whose direction of fibres varies from one plate
to another.
3) Le nucléus pulposus, masse gélatineuse
occupant la moitié du volume du disque, très
déformable, mais inextensible et incompressible,
et très fortement hydrophile. (schéma 1)
L’épaisseur des disques lombaires croît
progressivement de L1-L2 à L5-S1 : elle mesure
10 mm en L1-L2, et elle est maximum en L4-L5
et L5-S1, atteignant 15 mm
Le disque est flanqué en avant et en arrière, par
les ligaments longitudinaux antérieur et postérieur.
A distance, il est relié mécaniquement aux
articulations inter-apophysaires postérieures,
qui fonctionnent comme des diarthrodies.
Sur le plan histo-chimique, le disque intervertébral
est constitué de fibres de collagène
en suspension dans un gel de protéoglycanes
très hydratées. Ces protéines sont sécrétées
par quelques cellules localisées à proximité des
plaques cartilagineuses, dont l’activité explique
certaines régénérations après chirurgie (7), ou
nucléolyse(1).
Le disque contient également une fraction
importante de protéines non collagéniques, qui
ont été incriminées dans les processus chimiques,
lors de certaines sciatiques hyperalgiques.
La nutrition du disque est assurée par l’inter-
deformabile, ma inestensibile ed incompressibile,
e tanto idrofilo. (schema 1).
Lo spessore dei dischi lombari cresce
progressivamente da L1-L2 ad L5-S1 : misura
10 mm in L1-L2, ed è al massimo in L4-L5 e
L5-S1, raggiungendo 15mm.
Il disco è fianccheggiato in avanti ed indietro, dai
legamenti longitudinali anteriore e posteriore.
A distanza, è collegato meccanicamente alle
articolazioni inter apofisarie posteriori, che
funzionano come dei diatrodie.
Sul piano isto-chimico, il disco intervertebrale
è costituito da fibre di collagene in sospensione
in un gelo di proteoglicani idratatissime.
Queste proteine sono secretate da alcune
cellule localizzate a prossimità delle placche
cartilaginose, di cui l’attività spiega alcune
regenerazioni dopo chirurgia (7), o nucleolisi
(1).
Il disco contiene ugualmente una frazione
importante di proteine non collageniche, che
sono state incriminate nei processi chimici, al
momento di alcune sciatiche iperalgiche.
La nutrizione del disco è assicurata via le placche
vertebrali, per diffusione, ma non esiste vera
vascolarizzazione.
L’innervazione è assicurata da fibre nervose
nocicettive e proprio cettive, che provengono da
nervi sinuvertebrali.
3) The nucleus pulposus, mass gelatinous occupying
half of the volume of the disc, very deformable,
but inextensible and incompressible,
and very strongly absorbent. (diagram 1)
The thickness of the lumbar discs increase
gradually from L1-L2 to L5-S1: it measures 10
mm in L1-L2, and it is maximum in L4-L5 and
L5-S1, reaching 15 mm.
The disc is flanked ahead and behind, by the
anterior and posterior longitudinal ligaments.
At a distance, it is connected mechanically to the
inter-apophysary posterior articulations, which
function like diarthrodies.
On the histochemical level, the intervertebral
disc consists of very hydrated collagen fibres
in suspension in a gel of protéoglycanes. These
proteins are secreted by some cells located near
the cartilaginous plates, whose activity explains
certain regenerations after surgery (7), or nucleolysis
(1).
The disc also contains a significant fraction of
noncollagenic proteins, which were involved in
the chemical processes, with some hyperalgic
sciatica.
The nutrition of the disc is ensured by the intermediary
of the vertebral plates, by diffusion, but

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médiaire des plaques vertébrales, par diffusion,
there is no clean vascularization.
mais il n’y a pas de vascularisation propre.
L’innervation est assurée par des fibres nerveuses
nociceptives, et proprioceptives, provenant des
nerfs sinuvertébraux.
BIOMECANIQUE
Le rachis lombaire doit à la fois être très stable,
supportant le poids du corps, du tronc, et
également très mobile. Le disque intervertébral
est intégré dans une “unité fonctionnelle
“ (D’ORNANO)(2), comprenant les
articulations postérieures, les moyens d’union
capsulo-ligamentaires, et réalisant un trépied
fonctionnel.
BIOMECCANICA
Il rachide lombare deve essere allo stesso tempo
molto stabile, sopportando il peso del corpo,
del tronco e ugualmente molto mobile. Il
disco intervertebrale è integrato in un’ »unità
funzionale » (d’ORNANO) (2), che comprende
le articolazioni posteriori, i mezzi di unione
capsulo-legamentari e realizzando un treppiede
funzionale.
La mobilità segmentare dei dischi lombari
aumenta progressivamente dall’alto verso il
basso, passando in media da 12° in L1-L2, ai
25° in L4-L5. Il disco L5-S1 è meno mobile.
In piedi, il disco è il seggio di forze di
compressione, mentre le articolari sono il seggio
di uno sforzo di cesoiata.
The innervation is ensured by nociceptive and
proprioceptive nervous fibres, coming from the
sinu-vertebral nerves.
BIOMECANICS
The lumbar spine must at the same time be
very stable, supporting the weight of the body,
the trunk, and also very mobile. The intervertebral
disc is integrated in a “functional unit”
(D’ORNANO)(2), including the posterior
articulations, the capsulo-ligamentar union, and
carrying out a functional tripod.
The segmentary mobility of the lumbar discs
increases from top to bottom gradually, passing
La mobilité segmentaire des disques lombaires
augmente progressivement de haut en bas,
passant en moyenne de 12° en L1-L2 à 25° en
L4-L5.Le disque L5-S1 est moins mobile.
En position debout, le disque est le siège de force
de compression, alors que les articulaires sont le
siège d’un effort de cisaillement.
Les mouvements de flexion et extension se
font autour d’un axe de rotation situé dans le
corps vertébral sous-jacent, grâce au glissement
I movimenti di flessione ed estensione si fanno
attorno ad un’asse di rotazione situato nel corpo
vertebrale sotto, grazie ad un scivolamento
arciforme delle facette articolari.
In flessione, il disco è cuneiforme a base
posteriore, e triangolare in’estensione. Il disco è
sottoposto ad importanti forze di compressione,
ma anche di trazione e di cesoiata : compressione
nella concavità, trazione della convessità.
Le rotazioni assiali impongono dei sforzi di
on average from 12° in L1-L2 to 25° in L4-L5.
Disc L5-S1 is less mobile.
In upright position, the disc is the centre of
compressive force, whereas the articular ones are
the centre of a shearing force.
The movements of inflexion and extension are
done around an axis of rotation located in the
subjacent vertebral body, thanks to the arciform
slip of the articular facets.
In inflexion, the disc is wedge-shaped with posterior
base, and triangular in extension. The disc

arciforme des facettes articulaires.
En flexion, le disque est cunéiforme à base
postérieure, et triangulaire en extension. Le
disque est soumis à d’importantes forces de
compression, mais aussi de traction et de cisaillement
: compression dans la concavité, traction
de la convexité.
Les rotations axiales imposent des efforts de
cisaillement, qui sont très mal tolérées par le
disque, pouvant creer des lésions fissuraires au
niveau de l’annulus, ou désinsérer les plaques
vertébrales.
Le nucléus pulposus transforme les lignes verticales
en forces radiales, déformant l’annulus
fibrosus qui retrouvera ensuite sa forme
initiale. Ces variations de pression favorisent
les échanges liquidiens avec les stuctures osseuses
environnantes : la perte d’eau diurne est
compensée par la réhydratation nocturne du
disque, favorisée par le décubitus.
Couplé aux ligaments longitudinaux, le disque
constitue un système précontraint, se déformant
d’autant moins que la vitesse d’application des
charges est rapide..
Avec le vieillissement, le disque perd sa capacité
hydrophile,se rafermit, se pince, et sa stucture
se rapproche de la composition des plaques
cartilagineuses.
La pression intra-discale est très variable selon la
position : elle est importante en position assise,
tronc penché en avant, et maximum lors du
port de charge, dos non verrouillé. Les travaux
de R.MOTTIER(4), (tableau 1) mesurant
in vivo les pressions discales dans les activités
quotidiennes, ont confirmé en grande partie les
travaux de NACHEMSON(5).
cesoiata, male tollerati dal disco, potendo creare
delle lesioni fissulari al livello dell’annulus, o
disinserire le placche vertebrali.
Il nucleo pulposus trasforma le linee verticali
in forze radiali, deformando l’annulus fibrosus
che ritroverà in seguito la sua forma iniziale
(schema 2). Queste variazioni di pressione
favoriscono gli scambi liquidei con le strutture
ossee circostanti : la perdita di acqua diurna è
compensata dalla reidratazione notturna del
disco, favorizzata dal decubito.
Accoppiato ai legamenti longitudinali, il
disco costituisce un sistema precompresso,
deformandosi tanto meno che la velocità di
applicazione dei carichi è rapida...
Coll’invecchiamento, il disco perde la sua
capacità idrofile, si raffermisce, si pizzica e la
sua struttura si avvicina della composizione delle
placche cartilaginose.
La pressione intra-discale è molto variabile
secondo la posizione : è importante in
posizione seduta, tronco inclinato in avanti,
e massima al momento di sollevare un peso,
dorso non « chiuso ». I lavori di R. MOTTIER
(4), (descrizione 1) misurando in vivo le
pressioni discali nelle attività quotidiane,
hanno confermato in gran’ parte i lavori di
NACHEMSON (5).
L’azione dei muscoli para-vertebrali è bene
conosciuta, fanno parte integrante dell’asse
rachideo, assimilato ad una trave composite.
In posizione di flessione, esiste un reclutamento
progressivo dei muscoli spinali, che diventano
totalmente silenziosi in flessione completa : la
stabilità è allora soltanto assicurata dal disco,
sottoposto a costrizioni di cesoiata, e le articolari
posteriori, seggio di pressioni verticali.
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is subjected to significant forces of compression,
but also of traction and shearing: compression in
concavity, traction of convexity.
Axial rotations impose shearing forces, which
are very badly tolerated by the disc, being able
to create fissuring lesions on the level of the annulus,
or alterate the vertebral plates.
The nucleus pulposus transforms the vertical
lines into radial forces, deforming the annulus
fibrosus which will find then its initial shape.
These variations of pressure support the liquid
exchanges with surrounding osseous stuctures:
the diurnal water loss is compensated by the
night rehydratation of the disc, supported by
the decubitus.
Coupled with the longitudinal ligaments, the
disc constitutes a pre-stressed system, deforming
of as much less than the speed of loads application
is fast.
With ageing, the disc loses its absorbent capacity,
hardens itself, grips itself, and its stucture
approaches the composition of the cartilaginous
plates.
The intra-discal pressure is very variable according
to the position: it is significant in sitting
position, trunk leaned ahead, and maximum at
the time of the wearing of load, back not locked.
The R.MOTTIER’s study (4), (table 1) measuring
in vivo the pressures of the intervertebral
discs in the daily activities, confirmed mainly
the NACHEMSON’s study (5).
Coucher dorsal : 0.10
Debout, penché en
avant : 1.10
Assis, relâché avec
dossier : 0.27
Coucher latéral : 0.12 Assis sans dossier : 0.46 Marche pieds nus :
0.53-0.65
Debout décontracté :
0.50
Assis, flexion antérieure
maximum : 0.83
Marche avec chaussures
de tennis : 0.53-0.65
Course à pied avec
chaussures de ville :
0.35-0.95
Course à pied avec
chaussures de tennis :
0.53-0.65
Lever charge de 20 Kg,
genoux fléchis, dos
verrouillé : 1.70
Port charge de 20 Kg
près du corps : 1.10
Lever d’une charge de
20 Kg, avec dos rond
: 2.30
L’action des muscles para-vertébraux est bien
connue, ils font partie intégrante de l’axe rachidien,
assimilé à une poutre composite.
En position de flexion, il existe un recrutement
progressif des muscles spinaux, qui deviennent
totalement silencieux en flexion complète : la
stabilité est alors uniquement assurée par le
disque, soumis à des contraintes de cisaillement,
et les articulaires postérieures, siège de pressions
verticales.
The action of the para-vertebral muscles is wellknown,
and form integral part of the rachidian
axis, compared to a composite beam.
In position of inflexion, there is a progressive
recruitment of the spinal muscles, which become
completely inactive in complete inflexion:
stability then is only ensured by the disc, which
is subjected to shear stresses, and the articular
posterior ones, seat of vertical pressures.

CONCLUSIONS
La structure discale peut être analysée
radiologiquement :
-radios simples : notion de pincement discal,
bâillement, ostéophytes de traction de Mac nab
-IRM :
. analyse du disque et des structures osseuses
adjacentes selon les critères de MODIC(3)
. étude de la déshydratation discale selon le
classification de PFIRRMANN(6) (schéma 3)
CONCLUSIONI
La struttura discale puo’ essere analizzata
radiolicamente :
- lastre semplici : nozione di pizzicamento
discale, apertura, osteofiti di trazione di Mac
na
- Risonanza Magnetica Nucleare :
-Analisi del disco e delle strutture ossee
adgiacenti secondo I criteri di MODIC (3)
- Studio della desidratazione discale secondo le
CONCLUSION
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The structure of the intervertebral discs can be
analyzed radiologically:
- simple X-rays:
. concept of thinning of the intervertebral
discs, cuneisation, and Mac nab’s lipping of
traction
- RMI:
. study of disc and adjacent osseous structures
according to criteria’s of MODIC(3)
La connaissance de la biomécanique permet de
comprendre l’intérêt de certaines thérapeutiques,
et de la posture :
- le port d’une ceinture ou d’un corset diminue
de 25 % la pression discale,
- une gestuelle adaptée en particulier au port
de charges, permet de soulager le segment
fonctionnel : une bonne attitude diminue
de moitié les forces exercées sur le disque
(NACHEMSON(5), MOTTIER(4).
- Le renforcement de la musculature paravertébrale
et de la ceinture abdominale, par la
kinésithérapie et les activités sportives régulières
non agressives, protège les disques et augmente
la tolérance du rachis aux efforts..
- La correction des déséquilibres du bassin,
liés à une inégalité de longueur des membres
inférieurs, par une talonnette, permet de
restaurer des conditions biomécaniques
normales pour la charnière lombo-sacrée,
supprimant en particulier les contraintes de
cisaillement par rotation, très mal tolérées à long
terme par le disque.
- Enfin, certaines techniques chirurgicales
essaient de respecter le disque par des
ostéosynthèses postérieures souples.
L’utilisation de cales inter-épineuses, restituant
l’épaisseur discale, a permis de constater
certaines régénérations discales, vérifiées par
IRM.(Senegas, (7).
Théoriquement, la prothèse discale représente
la meilleure procédure, mais les résultats à long
terme doivent être validés.
classificazioni di PFIRRMANN (6) (shema 3).
La conoscenza della biomeccanica permette di
comprendere l’interesse di alcune terapeutiche
e della postura :
- il porto di una cintura o di un corsetto
diminuisce del 25% la pressione discale,
- una gestuale adatta in particolare per
portare pesi, permette di sollievare il
segmento funzionale : un buon’atteggiamento
diminuisce di metà le forze esercitate sul disco.
(NACHEMSON (5), MOTTIER (4).
- il rafforzamento della muscolatura
paravertebrale e della cintura addominale, per
la kinesiterapia e le attività sportive regolari
non agressive, protegge i dischi e aumenta la
tolleranza del rachide ai sforzi.
- La correzione dei disequilibri del bacino
legati ad un’ineguaglianza di lunghezza degli
arti inferiori, con compenso, permette di
restaurare condizioni biomeccaniche normali
per la cerniera lombosacrale, sopprimendo
in particolare le costrizioni di cesoiata per
rotazione, a termine male tollerate dal disco.
- Infine, alcune tecniche chirurgicali cercano
di rispettare il disco con delle osteosintesi
posteriori flessibili.
- L’uso di cali inter-spinosi, che restituiscono lo
spessore discale, ha permesso di notare alcune
regenerazioni discali, verificate da risonanza
magnetica (Senegas, (7).
In teoria, la protesi discale rappresenta il
migliore procedimento, ma i risultati a lungo
termine devono essere convalidati.
. study of deshydratation of the intervertebral
discs according to the classification of PFIR-
RMANN(6):schéma 3
The knowledge of biomechanics makes it possible
to understand the interest of some traetments,
and postures:
- The wearing of a belt or a brace decreases by 25
% the pressure of the intervertebral discs,
- Gestural ergonomics adapted in particular
to the wearing of loads, makes it possible to
relieve the functional segment: a good attitude
decreases by half the forces exerted on the disc
(NACHEMSON(5), MOTTIER(4)).
- The reinforcement of the para-vertebral
musculature and the abdominal belt, by the
regular physiotherapy and non-aggressive sports
activities, protects the discs and increases the
tolerance of the spine to the efforts.
- The correction of imbalances of the pelvis, related
to an inequality length of the lower limbs,
by a heel-piece, makes it possible to restore
normal biomechanical conditions for the lumbar-sacral
hinge, removing in particular shear
stresses due to rotation, very badly tolerated
ageing by the disc.
- Lastly, some surgical techniques try to respect
the disc by flexible posterior osteosyntheses. The
use of inter-spinous wedges, restoring the thickness
of the intervertebral discs, made it possible
to note certain regenerations of the intervertebral
discs, checked by RMI.(Senegas, (7).
Theoretically, the prosthesis of the intervertebral
discs represents the best procedure, but the longterm
results must be validated.
BIBLIOGRAPHIE
1) MAYOUX-BENHAMOU M.A.,REVEL M. Encyclopédie Médico-Chirurgicale ;appareil locomoteur .Disque intervertébral et structures voisines de
la colonne lombaire :anatomie, physiologie , biomécanique.
2) D’ORNANO J.,CONROZIER T.,BOSSARD D. :Effetdes manipulations vertébrales sur la hernie discale lombaire.Etude TDM de 12 cas.Revue de
Medecine orthopedique,1990,19,21-25
3) MODIC M.T.,FEIGLIN DH,PIRONO DW.Vertebral osteomyelitis :assessment using MR.Radiology,1985,157 ;157-166
4) MOTTIER R. « new in vivo measurementsof pressure in the intervertebral disc in daily life »,Spine,1999,
5) NACHEMSON A. ,MORRIS JM. . In vivo measurements of intradiscal pressure ;discometry, a method for determination of pressure in the lower
lumbar discs.J BoneJoint Surg 1964 ;46A ;1077-1092
6) PFIRRMANN CWA.Diagnostische Abklarung beim lumbalen ruckenschmerz.spine,1995,20 ;1178-1186
7) SENEGAS J. La ligamentoplastie intervertébrale, alternative à l’arthrodèse dans les instabilités dégénératives. Acta orthop.Belg., 1991,57,221-226