C6 - Mécaniques des tissus biologiques: blessures et prévention Flashcards
Quelle tranche d’âge est le plus à risque ?
Quelle région du corps est le plus à risque de blessures?
15 à 24 ans
Genou 24%
Cheville 15%
Types de tissus touchés par les traumatismes
Types de traumatismes (toutes localisations confondues)
Note
- Contusion : Blessures sans gravité
(Prof passe peut de temps dessus)
Trauma dans le sport - principales parties du corps selon la discipline
- Basket
- Football
- Cyclisme
- Football US
- Baseball
Structure à risque - Bref résumé des rôles
- Os
- Cartilage
- Ménisque
- Tendons
- Ligaments
- Capsule
Os :
- Structure rigide, fortement minéralisée
Cartilage : entre deux os, jonctions souples pour éviter contact os à os
- tissu dont la fonction consiste essentiellement à transmettre et répartir les charges lorsque les articulations sont sollicitées.
- joue rôle d’un roulement à billes et d’un amortisseur entre les extrémités osseuses, accompagnant chacun de nos efforts et mvts.
Ménisque : cousin entre les 2 os
- cartilages plats, placés entre l’os sup de la jambe et l’os inf de la jambe. Ils sont situés entre les ligaments croisés et les ligaments latéraux.
Ligament :
- attachent les os entre eux.
- Rôle principal est de rendre les articulations plus stables et, lorsqu’ils sont gravement atteints, ils donnent l’impression que l’articulation atteinte est lâche ou instable.
TENDONS :
- attachent les muscles aux os.
- transmettent les forces générées par les muscles pour faire bouger les os
- rôle imp dans la stabilité articulaire et contribuent à l’absorption des charges d’impact générées par des activités comme la course à pied et les sauts
CAPSULE :
- Enveloppe fibreuse et élastique entourant les articulations synoviales, qui permet de maintenir en contact les surfaces articulaires des os et d’en assurer la stabilité.
Types de squelette
Comportement mécanique des structures biologiques
3 types de déformation
Répond différemment aux sollicitations mécaniques que ce soit de nature…
- Physiologique
- Selon l’impact
3 zones de déformation ;
- Déformation élastique (+ pour le KIN)
- Déformation plastique ou permanente
- Rupture complète
Est-ce que les objets rigides ou souples cassent le plus ? et dans le corps ?
+ un matériaux est rigide, + il aura de risque à se casser
Objet souple à moins de chance à se casser
Dans le corps ->les os
Comportement mécanique - Loi de Hooke
- Explication déchirure : application de la force sur le muscle
Reliée au Déformation élastique est une fonction LINÉAIRE des contraintes
La loi de Hook ne prévoit pas de déchirure dans son calcul même si la déchirure peut survenir à force d’étirer le muscle avec de la force
- Explication déchirure : application de la force sur le muscle
- 3 zones physiologiques
- Début de déchirure dû à une force ext ->muscle va slowly se déchirer et renvoie la même force réactive
- rajout de force = muscle se déchire un peu plus, mais ne renvoie plus autant de force
- rajout de force = muscle se déchire un peu + et devient de moins en moins fort jusqu’à déchirer complètement
3 zones;
- zone de démarrage
- zone de rupture
- zone linéaire = comportement normal de l’objet
Déformation élastique
Zone de déformation faible et normale
Exemple - revient sur le même chemin pour revenir à zéro (Diagramme de phase)
* Durant la marche ou la course
* Os, tendons, etc. se déforment de quelques μm à mm
* L’allongement se situe à l’int du domaine élastique
* Correspond à la zone de déformation physiologique
* Compression du tibia de 0,4 mm après un saut de 170 cm
Comportement mécanique - Déformation plastique
Ex ;
- Placage où le ligaments s’étire au de la de la zone élastique
- Entorses
Diagramme de phase ;
On ne revient pas sur le même chemin pour revenir à zéro = Comportement dystérisie dans la déformation plastique
Comportement mécanique - Rupture complète
Ex de forces aux articulations: (juste pour donner un effet grandeur)
Force relative au poids corpo (PC) à certaines art :
* Doigt: 3 à 14x le poids du doigt
* Coude: 0,4 à 1,4 x PC
* Colonne vertébrale: 2 à 3 x PC
* Soulever un poids de 200 N (~20 kg) le dos fléchi
=>11 x PC sur la CV
Couché : forces sur la CV
* Près de 300 N pour un adulte (moitié du poids corpo!)
Marche : forces de réaction max
* Sous chaque pied : près 1,5 poids corpo
* Hanche : 4 à 7 x PC
* Genou: 2 à 4 x PCs
* Cheville : 4 à 5 x PC
Course : forces de réaction max sous chaque pied
* 3 à 5 x le PC
NOTE
- mains sont très fragiles pour les blessures
- muscle génère une quantité de force + imp que nécessaire, car évolution n’ont pas bien placé les muscles dans le corps pour prendre autant de charge de force
Comportement dystérisie
Force appliqué n’est pas la même que la force de réaction de retour -> pour les déformations plastiques
Comparaison de matériaux
- Tous les matériaux n’ont pas les mêmes caractéristiques
- Difficile de comparer des matériaux diff avec leur relation force-déformation
- Ex: Os plus rigide que ligament, se déforme moins pour une même force appliquée
- Pour éliminer les facteurs confondants, on normalise la force (F)…
Normalisation de la force : Éq
Éq : σ = F/A (N/m2 ou Pascal (Pa))
* F = Force
* A = Aire de surface = section droite (perpend.) qui subit la mise en charge
* σ = sigma = contrainte
NOTE
- on n’utilise pas la force max =>on veut normaliser l’objet/région en question par sa dimension et non par sa force
EX de CALCUL:
* Fracture à une force de 10 000 N pour une déformation unitaire de 3%
* Quelle est la contrainte à la rupture si la surface droite est de 4 cm2?
4 cm2 = 0,0004 m2
σ = F/A
σ = 10 000 / 0,0004
σ= 25 000 000
σ = 25 MPa
Normalisation de la longueur : Éq
Éq : ε=Δl/ lo (%)
- ε (epsilon) = Déformation unitaire (strain)
- Δl = déformation
- lo = Longueur initiales (avant la déformation)
- Exprimé en % (10%, 15%…)
Note ;
Avec cet éq, nous avons les infos pour comparer les objets/régions entre eux, car ils sont exprimés dans des grandeurs similaires avec des changements de dimensions qui sont similaires.
Types de déformations
Ductile
* Grande déformation (malgré une faible contrainte)
->n’a pas besoin d’appliquer une grande contrainte dessus pour générer une grande déformation
* Matériau élastique
* S’étire facilement sans casser
* Ex. Ligament
Fragile
* Casse avec peu de déformation
* va se caser même s’il n’a pas subi de grande déformation
* Ex. Os
Fragile et ductile
* Légère déformation
* Ex. Tendons
Module d’élasticité : Module de Young
Éq : E = σ / ε (N/m2 (Pa))
Pente =
* Module d’élasticité, E
* Module de Young
NOTE
- + le module de Young est grand, + la pente sera abrupte
- Module de young nous donne la rigidité
-> + un objet à un pente de young élevée, + il sera rigide
- au fur et à mesure que l’on réduit le module de Young, on aug la capacité d’étirement
EX DE CALCUL :
LIGAMENT CROISÉ E = 0,08 GPa
σ = 7 MPa
Quelle est sa déformation unitaire?
* E = σ/ ε (inverser et diviser par σ)
ε=σ/E
ε=7×106 /0,08×109
ε=7×10-3 /0,08
ε = 0,0875
ε = 8,8%
- Module d’élasticité - Pente
-ordre de grandeur : os, tendon, ligament, cartilage
+ la pente de la zone élastique est grande, + le matériau est rigide
Os > tendon > ligament > cartilage
Os (compact)
* 10 à 20GPa
* (10 000 000 000 N/m2)
* Rupture => 1 à 3%
->donc le bouge peu avant qu’il casse
Tendon
* 1 GPa
* Rupture => 9% à 10%
Ligament
* 0,06 à 0,12 GPa
* Rupture => 40% à 50%
Cartilage
* 0,001 à 0,01 GPa
* Rupture => 80% à 120%
->peu bouger bcp plus avant de rompre
Os spongieux et tendon
- Eos spongieux similaire à E.tendon
- À la rupture σ tendon > σos
Note
- Os spongieux chez l’enfant a le même module d’élasticité que le tendon ->résultat : + de chance que l’os spongieux se casse car il est + FRAGILE que le tendon, ayant la même rigidité.
INVERSE
À la rupture : σos = σligament
* Eos > Eligament
Pour une même contrainte ext, l’os spongieux va se briser avant le ligament. Le ligament prendra plus de T pour se briser
NOTE
E = module de young
ε = déformation unitaire
Adaptation de l’os – quelques exemples
Aug de la densité osseuse (DO) avec des x’s générant des impacts
EXEMPLES :
Lanceurs au baseball:
* DO aug
* Hypertrophie partie proxi radius & ulna
Tennis:
* Épaisseur de l’os cortical du m. sup dominant aug d’env 30%
Coureurs:
* DO de L1 + élevée de 40%
Haltérophilie:
* Aug DO
* CV lombaire (11%)
* Col fémoral (16%)
* Grand trochanter (15%)
Zéro gravité - séjour dans l’espace
Structure de l’os – OS SPONGIEUX
- Trame irrégulière
-> Trabécules osseuses
->Structure d’un nid d’abeilles - Espace entre trabécules remplit de moelle osseuse
- Formation de C sanguines rouges par la ME
- Ductile(1) et déformable
- Matériau anisotropique
*Anisotropique
- Os spongieux
- Propriétés mécaniques varient selon sa composition
- Comportement diff selon la direction de la mise en charge
Structure de l’os – OS COMPACT
- Plus fragile(1)
- Revêtement ext de tous les os
- Constitue la maj partie de la diaphyse
- Partie centrale d’un os long comme le fémur
- Plus épais dans les régions où les contraintes sont + élevées
- Matériau isotropique
- Os compact, périoste
- Structure homogène
- Se déforme de la même façon peu importe la direction de la force
Matériau ANISOTROPIQUE vs ISOTROPIQUE
Modes de chargement pouvant potentiellement briser l’os
Fractures ouvertes vs fermées
Types de fractures
Factures simples – en tension ou traction
*Avulsion osseuse
*Os arraché
->Contraction musculaire forte
->Impact violent
->Allongement rapide d’un ligament
Fractures simples – en compression
*Forces qui compriment/écrasent
*Manifestent surtout à la métaphyse (région où l’épiphyse rejoint la diaphyse de l’os = l’endroit le + fragile)
*Os spongieux moins résistant que l’os compact
-> Fissure oblique de l’os
-> Peu de fractures
Factures simples – en torsion
*Spirale
*Mise en charge complexe qui force l’os en rot
EXEMPLE
*Ski reste coincé dans la neige
Fracture comminutive
Fractures complexes & complètes
* Surviennent à la suite d’un chargement multiple comprenant : Flexion, Torsion & Compression
* Plusieurs fragments
* Fracture en forme de papillon
Fracture de stress
Traumatisme par répétition
* Courir longues distances sur surface dure
* Muscles incapables d’amortir les impacts suite à un épuisement
* Surcharge de l’os et cause une faille
15% de toutes les fractures subites dans les sports * Sauteurs
* Gymnastes
* Danseurs
Fracture STRESS/FATIGUE
*Produisent
-> Os longs : tibia, fibula, os métatarsiens
*Légère fracture
*Incidence aug (triade de l’athlète féminine)
-> Déficite énergétique (avec ou sans trouble alimentaire)
-> Aménorrhée
-> Ostéoporose
*Repos fortement recommandé afin de laisser le temps à l’os de guérir
Fractures épiphysaires
Traverse la plaque de croissance
->Plaque de cartilage près de l’extrémité de l’os où la croissance osseuse se fait
Peut perturber la croissance de l’os même si bien traité
Ostéoporose
- explication
- marqueur le + reconnu d’ostéoporose
- hanche
- CV
Processus dégénératif naturel => perte progressive de la masse osseuse =>fragilisation des T.osseux =>aug risque fractures
* Dim du nbr de travée (architecture)
* Porosité aug
-diminution imp de la résistance mécanique
- Masse osseuse en fonction de l’âge
Affecte les os différemment:
Ex : Fracture distale du radius
* 1e manifestation de l’ostéoporose
* Lors d’une chute amortie avec la main tendue
* 15 ans avant celle de la hanche
Hanche
*25% des canadiens de +50 ans ayant subis une fracture meurt dans l’année
*Risque de mourir est 3x+ élevé dans les 5 années
CV
*17% des canadiens âgés de +50 ans qui subissent une fracture à la CV meurt dans l’anné
Ostéoporose : FDR
AP - ostéoporose
- % risque de fracture
- Densité osseuse ↑ dans des conditions spécifiques:
- AP favorisants & AP qui ne favorise pas l’↑ de masse osseuse
- Réduction de 20% à 35% du risque de fracture
- Dim du risque de chute
- ↑ résistance au contraintes mécaniques avec la répétition de l’application de forces
Densité osseuse ↑ dans des conditions spécifiques:
* Stimulations dynamiques : contractions excentriques (+++) et concentriques (+)
* Application de 10G à 20G pendant course et triple saut
* Saturation au-delà de 40 sauts pour des rats
* Repos : 4h de repos entre les réps de sauts mieux que 30 min.
AP favorisants l’↑ de masse osseuse:
* Basketball, soccer, tennis, gymnastique, course à pied …
Inversement:
* Ski de fond, aviron, patinage de vitesse, cyclisme, natation
AP - Graphique selon les périodes d’âge
- Période de croissance
- Période d’évolution atténuée et de consolidation
- Période d’involution
Période de croissance (10 & 17 ans) :
* Maximise le pic de masse osseuse
* Maintien de la masse osseuse
* Dim la perte de masse
Période d’évolution atténuée et de consolidation (20 & 35 ans):
* Aug le pic de masse muscu
* Freiner la dim de masse osseuse et dégénérescence
Période d’involution (35 & +):
* Avec l’avancée en âge, les bénéfices d’AP sont faibles
* Combiné avec la sarcopénie
* À 80 ans, perte de
* 40% chez la F
* 25% chez H
Stress shielding
Réduction de la densité de l’os (voir niveau de gris sur l’image) en rép à l’absence de stress sur l’os à cause d’un implant.
L’os se remodèle en fonction des chargements qu’il subit. L’utilisation d’implants poreux diminue ce prb.
Aug de la masse osseuse se fait donc à l’int a/n de l’os compact ->moins avantageux qu’a/n de l’os spongieux.
4 types de cartilage
- Cartilage élastique
* Structures flexibles
* Trachée - Fibrocartilage
* Jonction entre l’os et l’insertion tendineuse ou ligamentaire
* Anneau fibreux - Fibroélastique
* Ménisques - Articulaire
* Plus répandu
Fonctions
-> Réduit le frottement
->Répartit les forces sur l’os
* Lisse et de couleur blanche
Cartilage
- composition
- prb lié au cartilage
Épaisseur
* 0,4 mm chez le lapin
* 2 mm chez l’humain
Cellules horizontales
* Comportement mécanique provient de sa composition hétérogène
Prb lié au cartilage : peu vascularisé (voir image)
Études : Effet de AP chez le chien
Cartilage - propriétés
Graphique contrainte/déformation
- cartilage se compare au os spongieux
- donc relativement très ductile selon le cas
Cartilage - viscoélastique
- Comportement mécanique varie avec le temps
- Fluage et relaxation
- Fluage
- Fluage de CV
- Relaxation
FLUAGE:
- déformation élastique
- Soumis à une charge constante, le matériau a tendance à se déformer
« Phénomène physique qui provoque la déformation irréversible (selon les cas) différée (c’est- à-dire non-instantanée) d’un matériau soumis à une contrainte constante, même inf à la limite d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante. »
- de + en + élastique même si on conserve la même force sur l’objet en question
FLUAGE DE CV:
*Disques s’écrasent de quelques mm au cours de la journée =>phénomène réversible
RELAXATION:
->dim de la force en fonction du T
->propriété non instantanée : lorsqu’on impose un échelon de déformation, du fait du caractère viscoélastique du matériau, la contrainte met un certain T à atteindre sa valeur finale. Le matériau retourne progressivement à un état + stable.
-> ex ; si on fait des étirements passives -> on aura besoin de moins de force éventuellement pour avoi le même résultat ou aller + loin
