La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique qui se manifeste généralement à l'adolescence lors de fa période de croissance- Un traitement disponible, l'ostéosynthèse et I'instmmentation postérieure du rachis, est une procédure chirurgicale complexe qui implique de nombreux paramètres tels l'identification du segment rachidien à instrumenter, le nombre et la position des crochets ou vis, la forme de la tige, etc- La modelisation biomécanique est employée pour étudier la biomécanique des mmoeuvres chirurgicales et pour prédire l'influence des paramètres associés. Cependant, les modèles analytiques par éléments finis présentement utilisés posent certaines difficultés, notamment à cause des différences de rigidité entre les diverses composantes et des grands déplacements impliques lors des interventions chirurgicales. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est de développer un modèle biomécanique analytique utilisant des mécanismes flexÏbles, de simuler les manoeuvres d'instrumentation chirurgicale du rachis scoliotique et d'évaluer cette approche en la comparant à des modèles par éléments finis équivalents et des mesures expérimentales. La modélisation biomécanique développée lors de œ projet se limite aux manoeuvres effectuées par le chirurgien fonque le patient est couché sur la table d'opération.

Un modèle cinétique avec mécanismes flexibles comprenant des corps rigides pour les vertèbres et l'instrumentation, des mécanismes pour les connexions entre l'instrumentation et te rachis, et des éléments flexibles pour les structures intervertébrales, a été développé. Les propriétés mécaniques des éléments flexibles sont tirées de données expérimentales publiées- La faisabilité de l'approche a été testée à partir de trois cas:​ un spécimen physique et deux patientes sco~ioüques. Le modèle cinétique avec mécanismes flexjbles a été personnalise à la géométrie peropératoire du rachis à L'aide de mesures effectuées avec un nurnénseur électromagnétique et de reconstructions a partir de radiographies conventionnelles. Les manoeuvres chirurgicales ont été simulées sur le modèle, et les résultats des simulations comparées aux mesures peropératoires. De plus, des études de sensibilité ont permis d'évaluer l'impact sur les simulations de plusieurs paramètres:​ conditions limites, propriétés des joints mécaniques et de l'instrumentation, et étapes de simulation. Enfin, ces simulations ont été comparées aux simulations produites avec deux modèles par éléments finis disponibles. Chacun des modèles a été personnalisé à la géométrie de 11 patients scoliotiques avec courbure thoracique droite (âge:​ 15±2 ans;​ Cobb:​ 60±11° opérés avec une instrumentation CotreC Dubousset à l'Hôpital Sainte-Justine de Montréal, Les manoeuvres chirurgicales ont été simulées, et les résultats des shulations comparées a l'aide d'indices géométriques. Une analyse des deux approches de modélisation (cinétique avec mécanismes flexibles et éléments finis) a été produite à I'aide de critères techniques.

Le modèle cinétique avec mécanismes flexibles reprodul généralement la progression attendue des conecbnecbons chirurgicales, particutièrernent pour les courbes rachidiennes (corrections à l'angle de Cobb prédites en moyenne à 79%). Les conditions limites en rotation ont peu d'influence sur les indices ne correspondant pas aux degrés de liberté relâchés. La modification des propriétés mécaniques des joints aodietshertèbres influence le chargement transmis de I'inrtBimentation au rachis, ce qui entraine principalement le déplacement du plan de déformation maximale (jusqu'à 147. La direction de ce déplacement dépend des limites imposées au couplage des degrés de liberté en rotation- La modélisation d'une tige defomable réduit les courbes rachidiennes dans le plan sagittal (7° pour le cas teste). Aucune des approches testées (cinétique avec mécanismes flexibles et par éléments finis) ne reproduit plus précisément les co~ons post-opératoires. Toutefois. i'intégration des mécanismes dans l'approche cinétique avec mécanismes flexibles permet la reproductÏon des manoeuvres chirurgicales d'une façon cliniquement réaliste tout en réduisant les problèmes de convergence associés aux différences de rigidité et en diminuant le temps de calcui.

La faisabilité de l'approche cÏnéfique avec mécanismes flexibles et rimportance des propriétés biomécaniques attribuées aux joints crochetsh,eRebres, des propriétés mécaniques de la tige et des vertèbres non4nstnimentées sur les résultats des simulations ont été démontrées, L'étude comparative des approches de modélisation a permis d'observer que l'approche cinétique avec mécanismes flexibles est mieux adaptée aux simulations de la géométrie globale du rachis swliotique, alors que les approches par éléments finis permettent des études plus approfondies sur les déformations et ruptures possibles des structures biologiques.

Les acquisitions de données peropératoires se poursuivent à l'Hôpital Sainte-Justine de Montréal afin de produire une évaluation sur un plus grand nombre de sujets- Les paramètres les plus importants à raffiner demeurent les propriétés mécaniques des éléments intervertébraux du modèle et les conditions limites. Les travaux futurs pour l'adaptation d'un modèle prédictif à la pratique orthopédique incluent la conception d'une interface graphique pour le chirurgien afin de spécifiier les composantes de simulation et l'automatisation des procédures de simulation. La poursuite de ces recherches permettra, à moyen terne, de développer un outil pouvant prédite les corrections chirurgicales en fonction des choix effectués par le chirurgien lors du planning préopératoire et concevoir des instrumentations rachidiennes plus efficaces-

ldiopathic scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine and rib cage generally appeafing during the adolescent growth penod. One possible treatment, the posterior surgical instrumentation and fusion of the spine, is a wmplex procedure with many parameters, such as the spinal segment to operate, the number and position of the hooks and suews, the shape of the rod, etc. Biomechanical rnodeling is a tool that can be used to detemine the influence of these parameters. However, technical difficulties due to the large stiffness range of involved components and the large deformations associated with surgical maneuvers are encountered when using the finite elernents method. Thus, the objective of this study is to adapt a kinetic modeling approach wÏth flexible mechanisms, simulate the surgical maneuvers and compare it to equivalent finite element models. The biomechanical modeling only takes into account the maneuvers perfomed by the surgeon mile the patient is lying on the operating table.

A kinetic model with flexible mechanisms was developed rigid bodies for the vertebrae and instrumentation, mechanisms for the instrumentation connections to the spine and flexible elements to model the intewertebral structures. Mechanical properties of the flexible elements are adapted from published expenmental data. The feasibility of this modeling approach was evaluated by simulating the surgical maneuvers perfonned on a physical model and two scoliotic patients- The biomechanical model was personalized using the in-operative spinal geometry measured with an electmmagnetic digitizer or recanstructed from conventionnal x- rays. The surgical maneuvers were simulated on the model, and the results were compared with intra-operative measurements. Sensitivity studies were conducted with intra-operative data fmm the two clinïcal cases to evaluate several parameters such as the boundary conditions and mechanical hookhertebrae joint properties- Finally, simulations using the kinetic model with flexible mechanisms were wmpared with two finite elernent models. Each biomechanicai model was personalized with the geometry of 11 right thoracic scdiotic patients (age:​ 15±2 years;​ Cobb:​ 60±11°). operated with Cotrel-Dubousset instrumentation at Sainte-Justine Hospital. The surgical maneuvers were simulated, and the results were compared using geometric measures. The modeling approaches (kinetic modeling with flexible machanisms and finite elements) were also analyzed with technical criteria.

The kinetic model with flexible mechanisms generally reproduced the expected progression of the surgical corrections, particularly for the spinal curvatures (Cobb angle correcüons were predicted with mean 79% accuracy). Rotational boundary conditions have little effect on geornetn'c measures not corresponding to the released degrees of freedorn. The modification of mechanical properties for the hookhertebrae joints influenced the transmission of loads fmm the instrumentation to the spine, which mainly caused the teorientation of the plane of maximum defomity- Modeling of a defomied rod reduced spinal curvatures in the sagittal plane- None of the tested models (kinetic wiai flexible mechanisms and finite elements) provided superior agreement with the post-operative measures, However, the integration of mechanisms in the kinetic approach with flexible mechanisms allowed ciinically realistic reproduction of the surgical maneuvers mile reducing convergence pmblems associated with stiffness differences (ill-conditioned system) and computing time.

The feasibility of the kinetic appmach with flexible mechanisms, the importance of the hooklvertebrae joints' and rod's mechanical properties as well as the influence of the non-instrumented vertebrae on simulation results were shown, The kinetic modefing approach seems better suited to the simulation of the spinal geometry, white the finite elements approach enables the study of defomtations and possible intra-operative failure of biological tissues.

Intra-operative data acquisition is still underway at Sainte-Justine Hospital in order to produce an evaluation of the kinetic model with flexible mechanisms with more cases. The most important parameters to refine remain the boundary conditions and the mechanical properties for the intervartebral structures and surgical rod. Subsequent steps to adapt a predictive model to the orthopaedic pracüce inciude the conception of a graphie interface for the surgeon in order to specify simulation components and the automation of the simulation procedures. Ongoing work will, in the n-ear future, provide practical and efficient tools to assist in the pre-operative planning of posterior surgical instrumentation of the scoliotic spine and wili certainly help for the design of new surgical techniques.