Cette thèse de doctorat s’intéresse au rôle biomécanique de la cage thoracique dans les traitements de la scoliose par orthèse thoraco-lombo-sacrée (TLS) et pose l’hypothèse générale qu’il existe des mécanismes entre la colonne vertébrale et la cage thoracique qui engendrent des couplages de mouvements entre les structures anatomiques du tronc scoliotique. Ces couplages origineraient des articulations costo-vertébrales (CV) et costotransverses (CT) et seraient responsables des corrections non-optimales et des déformations secondaires rencontrées dans les traitements orthotiques et chirurgicaux actuels.

Afin de vérifier les différents aspects de cette hypothèse, un modèle biomécanique, par éléments finis, de la colonne vertébrale et de la cage thoracique a été développé. La géométrie nécessaire pour définir ce modèle a été personnalisée à la géométrie de patients scoliotiques, et ce à l’aide d’un modèle géométrique qui intègre les reconstructions 3-D obtenues par multi-vues radiographiques d’un patient donné à des reconstructions 3-D obtenues par tomographie axiale de vertèbres cadavériques. Par la suite, ce modèle biomécanique a été utilisé pour vérifier les différents aspects de l’hypothèse émise à l’aide de simulations représentant des traitements orthotiques ou chirurgicaux. En parallèle à la modélisation, une étude statistique rétrospective a été réalisée sur une cohorte de 36 adolescents scoliotiques traités par corset de Boston afin de vérifier la présence de ces couplages de mouvements rachis-thorax lors du traitement, de trouver des relations entre ces derniers et de consolider les hypothèses de cette thèse.

Le modèle géométrique ainsi que les différentes techniques de reconstruction 3-D utilisées ont été évalués et validés par comparaison avec des données morphométriques obtenues avec grande précision (0.1 mm) sur un rachis (Tr L5) cadavérique. Le modèle géométrique comporte une précision moyenne globale de 2.6 ± 2.4 mm pour la position des repères anatomiques et de 2.3 ± 2.0 mm pour les dimensions mesurées sur les vertèbres.

Le modèle biomécanique a, quant à lui, été évalué par des simulations de traitements cliniques:​ le traitement par corset orthopédique et le test d’inflexion latérale (« bending test»). Dans le premier cas, une matrice de tissu flexible contenant 255 capteurs de pression et 48 marqueurs radio-opaques a été utilisée pour mesurer la distribution 3-D de pressions générées par le corset sur le thorax de 9 patients scoliotiques. Ces pressions ont ensuite été transformées en forces et appliquées au modèle biomécanique construit à partir de la géométrie du patient sans corset. Cinq différentes conditions aux limites ont été investiguées pour tenter de reproduire au mieux le comportement physiologique du patient aux frontières du modèle. Les résultats des simulations ont ensuite été comparés à la géométrie du patient portant son corset. Des différences moyennes de 5.3° ± 2.7° pour la gibbosité, et inférieure à 7° pour les rotations vertébrales apicales ont été trouvées dans le cas des conditions limites les plus physiologiques (déplacements de L5 et T! mesurés à partir des reconstructions). Des tests d’inflexion latérale ont etc simulés avec le modèle biomécanique sur 16 sujets sains et 5 sujets scoliotiques, et les résultats ont été comparés à la géométrie 3-D reconstruite des sujets en position inclinée (étapes réalisées principalement par le thésard Jean-Luc Descrimes, en collaboration). Pour les sujets sains, l’adéquation moyenne entre les courbes rachidiennes varie de 73% ù 81%, alors que cette adéquation se situe près de 40% pour les 5 sujets scoliotiques simulés. Ces simulations ont mis en évidence la sensibilité des conditions aux frontières sur la réponse du modèle et la différence de comportement entre sujets sains et scoliotiques. Des études de sensibilité ont également été réalisées pour évaluer l’influence des paramètres géométriques et mécaniques des différentes composantes des vertèbres, des joints CVCT et de la cage thoracique, tant au niveau des unités fonctionnelles que sur l’ensemble du tronc soumis à des traitements orthopédiques.

L’étude clinique rétrospective réalisée sur 36 adolescents scoliotiques traités par corset de Boston a mis en lumière que les mouvements en translation de la cage thoracique engendrés par le port du corset sont statistiquement corrélés aux mouvements translatoires du rachis (r = 0.88 dans le plan frontal et r = 0.65 dans le plan sagittal), mais que leur rotation axiale ne l’était pas (r = 0.12). Par ailleurs, des tendances de couplages de mouvements ont été relevés, dont en particulier entre le déplacement postéroantérieur du thorax et le déplacement latéral vers l’extérieur du rachis (r = -0.41).

Finalement, les simulations réalisées à l’aide du modèle biomécanique ont confirmé les observations cliniques, et des mouvements couplés ont également été relevés. Ainsi, des forces appliquées vers l’avant sur la gibbosité postérieure ont produit des couplages défavorables pour la correction des déformations scoliotiques (déplacement latéral du rachis vers la convexité de la courbe et réduction des courbes sagittales). Des forces appliquées latéralement se sont avérées être plus efficaces, sans toutefois être optimales. D’autres simulations ont été réalisées pour vérifier le couplage inverse (celui produit par la présence de la cage thoracique lors de l’application de charges sur le rachis) et il a été trouvé que les couplages étaient semblables à ceux obtenus lorsque la cage thoracique était sous chargement, mais que les articulations CV et CT n’étaient aucunement responsables. Par ailleurs, le rôle joué par les joints CV et CT dans les traitements orthotiques a été investigué en modifiant itérativement leurs caractéristiques géométriques et mécaniques. Il a été trouvé que l’orientation du col costal influençait peu la réponse globale du tronc, mais que l’orientation de la facette articulaire CV et la raideur des articulations CVCT pouvait générer des mouvements couplés (jusqu’à 4 mm de différence en translation au niveau de la vertèbre sommet). Ainsi, les couplages de mouvements rachis-thorax existent mais ne sont probablement pas seulement liés aux articulations CV et CT. Les résultats de cette thèse suggèrent donc aux chirurgiensorthopédistes ainsi qu’aux orthésistes de mieux prendre en compte et de mieux exploiter les couplages de mouvements rachis-thorax afin d’obtenir des traitements orthotiques plus efficaces.

This Ph.D. thesis addresses the overall hypothesis that biomechanical relationships and coupling mechanisms exist between scoliotic trunk anatomical structures which may explain incomplète and unexpected results obtained by orthotic and surgical treatmcnîs. More specifically, the costo-vertebral (CV) and costo-transvcrse (CT) joints were suspected to play a rôle in the trunk overall response to orthopaedic treatments.

A biomechanical fînite element model of the scoliotic spinc and rib cage was dcvcloped in order to investigate this hypothesis. The input geometry to the model was obtained from a personalized géométrie model built using an hybrid method which combines multi-view radiographie 3-D reconstructions of the spine and rib cage of given scoliotic patients with serial CT-scan 3-D reconstructions of typical human vertebrae. The biomechanical model was then used to simulate orthotic and surgical loads in order to address the hypothesis of this thesis. In parallel, a clinical rétrospective study was conducted on a cohort of 36 adolescent idiopathic subjects treated by Boston brace in order to confirm biomechanical studies and verify the existence of relationships and coupled corrections between the spine and rib cage initiated by brace wear.

Extensive in-vitro morphometric and accuracy évaluations of the géométrie model and its 3-D reconstruction techniques (multi-view radiographie and CT-scan) were done using a 3-D coordinate measuring machine (whose accuracy is about 0.1 mm) on a cadaveric spine (T1-L5). Global mean accuracy of about 2.6 ± 2.4 mm was found for landmark positions and about 2.3 ± 2.0 mm for morphometric parameters. The biomechanical model was evaluated by various orthopaedic treatment simulations:​ orthotic loads and bending tests. 3-D pressure distribution generated by the brace on the thorax of 9 adolescent scoliotic patients were measured by means of 255 thin « Force Sensing Resistor » sensors mounted on a flexible fabric matrix. Brace pressures were converted to nodal forces and used as load inputs into the finite element model. Several boundary conditions were investigated to represent physiological behavior of brace treatments. Deformed models resulting for each simulation were then compared to the reference reconstructed geometry of the same patient wearing his brace. Mean différences of 5.3° ± 2.7° and inferior to 7° were found between simulations and in-brace reconstructed geometry for rib cage and apical vertebra rotations for the boundary conditions that gave the best match. Bending tests were simulated on 16 normal subjects and 5 adolescent scoliotic subjects, and the deformed models were compared to reconstructed geometry of the subjects in the bending position using an index of fit (work done in collaboration with the Ph.D. student Jean-Luc Descrimes). For normal subjects, mean index values between spinal curves varied between 73% and 81%, while it was about 40% for scoliotic subjects. These simulations highlited the model boundary condition sensitivity and the behavior différences between scoliotic and non-pathologic subjects. More simulations were done on functional units and on the complété trunk in order to evaluate the sensitivity of model components (anterior and posterior parts of vertebrae, CVCT joints, rib cage).

The rétrospective clinical study done on a cohort of 36 adolescent scoliotic subjects showed that the Boston brace treatment produces complex trunk motions. Rib cage offsets were statistically correlated to corresponding apical spine offsets (r = 0.88 in frontal plane and r = 0.65 in sagittal plane). However, rib hump rotation and axial rotation at apical thoracic level were not correlated. Substantial forward displacements of the thorax were observed and were found to be coupled with latéral exteriorly oriented displacements of the spine (r = -0.41).

The biomechanical simulations confirmed the clinical observations and coupled movements were also found. Anteriorly oriented forces applied on the posterior rib hump pushed the trunk forward and was associated with an increase of latéral offset and curvatures of the spine. Latéral Ioads on the rib cage appear to provide better correction, although not optimal. Inverse coupling mechanisms (generated by the rib cage when loads are applied on the spine) were also investigated and were found to be quite similar to the ones found when the rib cage was loaded, even if the influence of CVCT joints was negligible in this case. The rôle played by the CVCT joints on the trunk overall response to orthopaedic treatments was investigated by varying mechanical and geometrical parameters associated to these joints. The influence of costal neck orientation was negligible while the orientation of CV joints and CVCT stiffness properties had a more substantial influence on trunk translational motions and rib hump rotations. It demonstrated that physical and mechanical altérations of scoliotic CV ligaments may play a rôle in the coupled movements observed between the spine and rib cage. However, these joints were not found to be the « missing link » that can explain ail coupling phenomena. Results found in this thesis suggest that orthotic and surgical treatments of scoliotic deformities should not only be administered in terms of main corrections, but also in terms of coupled motions in order to obtain more optimal corrections of scoliotic deformities.