La scoliose est une deformation tridimensionnelle (3-D) de la colonne vertebrale et de la cage thoracique. Pour les cas severes de scoliose, une chirurgie est requise. Le positionnement est une etape importante dans la procedure chirurgicale et les etudes ont demontre une correction spontanee d’environ 37% pendant la chirurgie et une correction finale de 57% avec l’instrumentation. Pour etudier les aspects de la scoliose, les modeles biomecaniques furent developpes mais l’effet du positionnement n’a pas ete etudie.

L’objectif global de ce projet est de developper un nouveau systeme de positionnement dynamique (SPD) qui sera utilise pendant la chirurgie pour ameliorer le positionnement des patients scoliotiques. L’hypothese posee est que l’utilisation de SPD peut ameliorer la correction de la deformation scoliotique comparablement au systeme Relton-Hall presentement utilise. En parallele, la deuxieme hypothese est que les structures osseuses du patient, l’effet de la gravite, l’anesthesie et la position chirurgicale peuvent etre modelises et que ce modele peut recommander les ajustements du SPD.

Un modéle par elements finis de la colonne vertebrale, de la cage thoracique et du bassin de deux patientes, a ete construit a partir des radiographies. Les proprietes mecaniques du modele etaient personnalisees avec les radiographies d’inflexions laterales. Pour simuler la position decubitus ventral, les conditions limites furent appliquees pour fixer le bassin et six cotes dans le plan coronal. La gravite a ete simulee par application des efforts distribues sur chaque vertebre. Un facteur d’anesthesie a ete applique aux tissus mous. Les simulations ont ete validees a l’aides des radiographies de flexion laterales et les radiographies prises durant l’operation. Les resultats montrent que le comportement du modele s’ameliore quand les proprietes mecaniques sont personnalisees Avec le facteur d’anesthesie, Tangle de Cobb de la premiere patiente ete corrige de 62° a 47° et celui de la deuxieme patiente a ete corrige de 70° à 55°.

Le SPD a ete congu et fabrique pour ameliorer le positionnement des patients pendant la chirurgie. En bref, le SPD est compose de quatre coussins concaves pour mieux epouser la forme du tronc et qui pourraient etre facilement deplaces sur les rails. H y a aussi des coussins extemes qui peuvent etre attaches aux rails de la table pour aider a corriger la deformation du tronc.

Pendant l’etude clinique, onze patients scoliotiques ont ete positionnes debout, sur le systeme de positionnement Relton-Hall, sur les coussins de base du SPD et sur les coussins de base du SPD avec l’application des efforts manuels. Les mesures de la geometrie du tronc et les mesures de la pression entre les patients et les coussins ont ete acquises. La longueur de la colonne etait significativement plus grande sur le SPD que sur le systeme Relton-Hall. La cyphose etait moins aplatie sur le SPD et la torsion de la colonne amelioree. Les pressions etant plus elevees sur le SPD par rapport au systeme Relton-Hall, des modifications aux coussins ont ete apportees avant de proceder en salle d’operations.

Suite aux modifications des coussins, trois patients ont ete positionnes sur le SPD pendant une chirurgie pour la scoliose. Pour des raisons de securite, les mesures de pressions ont ete comparees entre le SPD et le systeme Relton-Hall le jour avant la chirurgie. Les pressions pour les trois patients etaient egales ou moindre sur le SPD avec les coussins modifies en comparaison au systeme Relton-Hall. Pendant la chirurgie, les pressions plus elevees ont ete notees;​ celles-ci correspondaient avec les rougeurs sur la crete iliaque droite de deux des patients, mais aucune complication majeure n’a ete observee. La correction moyenne pendant la chirurgie etait de 40% et 68% pour les courbes thoraciques et de 75% pour les courbes lombaires. Les resultats des trois premiers cas sont encourageants et demontrent la fonctionnalite de ce nouveau systeme. Une etude plus etendue est en cours pour determiner s’il y a une amelioration significative de la correction.

Pour l’etude finale, le modele par elements finis presente au chapitre 3 a ete modifie. Six parametres du modele ont ete modifies dans un plan d’experimental Box-Hunter pour recommander l’emplacement des coussins. Les parametres ont inclus :​ l’inclinaison du bassin, le positionnement et la hauteur des coussins de la poitrine, la force thoracique lateral, la force lombaire lateral et la force sur la gibbosite. Dix indices cliniques ont ete mesures sur le modele geometrique. Les indices cliniques ont ete optimises individuellement et simultanement. Les resultats ont demontre que plusieurs parametres du modele avaient un effet sur les indices geometriques. L’optimisation d’un seul indice geometrique a la fois a souvent cause une deterioration majeure des autres indices geometriques. La correction globale est de 75% sur le SPD comparablement a 55% sur le systeme Relton-Hall. Le modele a demontre que le positionnement du patient pendant la chirurgie est une etape tres importante qui pourrait etre exploitee pour ameliorer la geometrie 3-D du patient.

L’objectif global de ce projet etait de developper un nouveau SPD pouvant etre utilise pendant la chirurgie pour ameliorer le positionnement des patients scoliotiques. L’etude clinique a demontree que quelques indices de la geometrie du tronc sont ameliores quand le patient est positionne sur le SPD. En parallele, un modele par elements finis a ete modifie pour simuler le positionnement per-operatoire des patients scoliotiques et pour recommander les ajustements du SPD. La methode novatrice developpee avec ce modele pourrait etre utilisee pour prescrire la localisation des coussins d’un SPD qui optimisera la position couchee du patient scoliotique pendant la chirurgie afin d’ameliorer et/ou faciliter la correction de la scoliose.

Scoliosis is a three dimensional deformity of the spine and trunk. In severe cases of scoliosis, surgery is required. Positioning of patients is an important step in the surgical procedure and has been shown to correct the scoliotic curve by 37% prior to the instrumentation which then fixes the final correction at 57%. Biomechanical models have been used to help study scoliosis but these models have not been used to study patient positioning.

The general objective of this work is to develop and validate a dynamic positioning frame (DPF) that will be used in the operating room to improve the surgical correction of spinal deformities. It is hypothesised that the utilization of the DPF can improve the correction of the spinal deformity and the overall trunk geometry compared to the ReltonHall frame used in the conventional approach. In parallel, it is hypothesised that the osseoligamentous structures of the patient, the effect of gravity, anaesthesia and the surgical position can be modeled, and such computer models can be used to recommend placement of the DPF components on a patient for correction of the spinal deformities.

A finite element model of the spine, ribcage and pelvis was created from the 3-D standing geometry of two patients. The material properties of the model were personalised so that the bending simulations best matched the bending x-rays. The prone position was then simulated by applying the appropriate boundary conditions and gravity loads and the 3-D geometry was compared to x-rays taken intra-operatively. Finally an anaesthesia factor was added to the model to relax all the soft tissues. Results show that the behaviour of the model improved once the material properties were personalised. With the anaesthesia factor patient 1 corrected from 62° to 47° and patient 2 corrected from 70° to 55°.

In order to maximise the amount of correction observed in the prone position a DPF was designed. The DPF is composed of a base of four cushions that contour to the sides of the patient that can be easily displaced on rails. There are also external correction cushions that can be used to apply force to the trunk deformities. A clinical evaluation was performed of 11 unanesthetised scoliotic patients;​ standing, lying prone on the Relton-Hall frame, prone on the DPF and prone on the DPF with external manually applied forces. Trunk geometry and pressure measurements were recorded. The results showed a statistically significant lengthening of the spine, improvement in the torsional deformity (delta hump) and less of a reduction in kyphosis when the patient was lying prone on the DPF compared to the Relton-Hall frame. Higher pressures were recorded on the DPF when compared to the Relton-Hall frame necessitating modifications to the DPF cushions.

Modifications were made to the cushions and the improved DPF was tested on three patients in the operating room. As a safety precaution, pre-operative pressures were measured the day before with the patient lying on both the Relton-Hall frame and the DPF. The pre-operative pressures on the DPF were equal too or less than the pressure on the Relton-Hall frame. During the surgery higher pressures were recorded, which corresponded to reddening of the patient’s skin, but no complications due to positioning were noted. Average correction of the both Cobb angles was 40% during surgery and 68% and 75% for the thoracic and lumbar curves respectively post-operatively. This study showed the feasibility of using the DPF during scoliosis surgeries but a larger clinical trial is underway to determine if there is a significant improvement in correction achieved with this system.

The final study involved modifications to the finite element model to simulate the DPF and test various adjustment parameters and recommend placement of the DPF components prior to, and during spine surgery. The prone position of one scoliotic patient was simulated using a patient personalised finite element model. Six DPF model parameters were modified in a controlled Box-Hunter experimental design while ten geometric measures were recorded. The parameters include:​ pelvic inclination, chest cushion location, chest cushion height, rib hump force, lateral thoracic force and lateral lumbar force. The geometric measures were individually and simultaneously optimised, while corresponding model parameters were noted. The results showed that every model parameter had a significant effect on at least five of the geometric measures. Optimising a single measure individually often resulted in the deterioration of other measures. Simultaneous optimisation resulted in improved overall correction of the patient’s geometry by 75% compared to only 55% when positioned on the Relton-Hall frame. This study confirms that the positioning of the patient is an important step that can be exploited

The general objective of designing a positioning frame that can be used to improve the positioning of the patient during surgery is a novel concept. The clinical study showed that the trunk geometry could be improved while the study in the operating room showed the feasibility of the DPF. In parallel, finite element models were modified to simulate patient positioning and recommend adjustments of the DPF components. The innovative methods developed with the model can be used to prescribe cushion adjustments of the DPF which will optimise the position of the scoliotic patients during surgery