La scoliose idiopathique pédiatrique affecte 2 à 3% de la population. Pour les patients présentant une courbure sévère (angle de Cobb > 45°), un traitement chirurgical est préconisé. La procédure consiste à redresser le rachis grâce à des tiges rigides puis à fusionner les vertèbres instrumentées afin de maintenir la correction. Cette fusion entraîne notamment une perte de mobilité du segment instrumenté et n’est pas idéale pour les patients en croissance.

Des techniques chirurgicales ne nécessitant pas de fusion osseuse et fonctionnant par modulation de la croissance sont proposées pour les patients dont il reste un potentiel de croissance. Ces techniques se basent sur le principe de Hueter-Volkmann :​ une augmentation de la compression sur les plaques de croissance entraîne une réduction de la croissance et, inversement, une réduction de la compression stimule la croissance.

La compression antérieure par câble est une de ces techniques chirurgicales de modulation de croissance qui consiste à comprimer le rachis unilatéralement. Une correction immédiate est générée lors de la chirurgie, et la croissance restante du rachis permet la poursuite de la correction progressivement au fil du temps. Des études expérimentales ont comparé l’impact sur le rachis d’une compression statique, telle que celle générée par le câble, par rapport à une compression cyclique. Il a alors été démontré qu’une compression cyclique avait une capacité à moduler la croissance similaire à celle d’une compression statique, mais avec une meilleure préservation des disques intervertébraux et des plaques de croissance.

Dans cette thèse, il a été proposé de développer un système de compression cyclique du rachis par câble, d’en évaluer la faisabilité puis de quantifier les effets biomécaniques sur un modèle animal porcin, notamment en caractérisant expérimentalement la pression induite sur les plaques de croissance pour différentes tensions.

Le prototype est composé d’un câble Bowden (gaine rigide axialement dans laquelle coulisse un câble) et d’une boite de contrôle contenant les composants mécatroniques pour la compression cyclique du rachis. La première extrémité du câble est fixée sur la vertèbre proximale grâce à une vis et peut glisser dans les têtes de vis sous-jacentes. Sa seconde extrémité est fixée à un moteur par l’entremise d’une poulie enroulant ou déroulant le câble. La gaine est fixée entre la vertèbre distale et la boite de contrôle. Lorsque le moteur tire sur le câble, une tension est générée dans le câble ;​ la gaine agit comme un point d’appui et l’ensemble du segment instrumenté est alors comprimé. Le moteur tourne en rotation alternée de façon à comprimer cycliquement le rachis. Pour la caractérisation expérimentale, des capteurs ont été utilisés afin d’enregistrer la pression sur les plateaux vertébraux de la colonne vertébrale et la tension du câble. L’amplitude de pression, la pression moyenne, la fréquence et la durée sont ajustables.

La relation entre la tension appliquée par le câble et la pression développée sur les plateaux vertébraux dans des rachis cadavériques porcins instrumentés avec ce système a été caractérisée d’abord en mode statique. Quatre rachis thoraciques porcins ont été prélevés et installés en décubitus latéral sur un support. La vertèbre T14 y était fixée et le reste du rachis pouvait glisser horizontalement. Un câble a été installé de façon à instrumenter respectivement 4 ou 6 niveaux, avec une tension de 22 N, 44 N ou 66 N. La pression développée sur les plateaux vertébraux du côté comprimé a été mesurée avec un mince capteur de force, inséré entre le plateau vertébral supérieur et le disque, et ce, aux niveaux proximal, central et distal. Ces essais ont montré que la pression mesurée sur chacun des plateaux vertébraux n’était pas différente entre les niveaux proximal, central et distal, pour une configuration avec un nombre d'implants donné (4 ou 6) (p>0.05). Cependant, la pression s’est avérée significativement différente entre les configurations avec 4 ou 6 niveaux instrumentés, qui ont généré une pression moyenne de 0.76 ± 0.03 MPa et 0.60 ± 0.03 MPa, respectivement (p=0.021). La pression appliquée était également linéairement corrélée à la tension dans le câble (r² = 0.97).

Le prototype a subséquemment été testé en mode cyclique, d’abord sur des rachis cadavériques porcins, puis sur un porc in vivo. L’étude cadavérique a été réalisée sur deux porcs dans des conditions similaires à celles précédemment détaillées, mais avec différentes tensions dans le câble variant de façon sinusoïdale. Pour l’étude in vivo, une thoracotomie latérale a été réalisée sur un porc sain, préalablement anesthésié. Le segment T7-T10 a été instrumenté et comprimé cycliquement pendant 50 s avec une tension moyenne de 29 N, 35 N, 40 N, 44 N ou bien 49 N, oscillant, dans chaque cas, entre ±30 % de la tension moyenne à 0.2 Hz. La pression exercée sur le plateau vertébral de T9 (au milieu du segment instrumenté) a été enregistrée pendant le chargement cyclique en utilisant un capteur de pression. Trois répétitions de chaque essai ont été réalisées. La pression moyenne mesurée sur le plateau vertébral a évolué linéairement avec la tension moyenne dans le câble (r² = 0.86). L’évolution de la pression dans le rachis en fonction de la tension dans le câble présentait une forme d’hystérésis, caractéristique des matériaux viscoélastiques comme le disque intervertébral.

Dans ce projet doctoral, un prototype de compression cyclique par câble a été réalisé et a permis de démontrer la faisabilité technique ainsi que fonctionnelle à transmettre des pressions cycliques pertinentes pour la modulation de croissance. La poursuite de ces travaux visera à évaluer mécanobiologiquement l’impact de cette compression cyclique sur la modulation de croissance ainsi que sur les tissus mous. Cette étape sera nécessaire afin d’évaluer la transférabilité de ce dispositif pour une utilisation éventuelle chez les enfants scoliotiques.

Pediatric idiopathic scoliosis affects 2 to 3% of the population. Surgical treatment is recommended for patients with a severe curvature (Cobb angle > 45°). The procedure involves straightening the spine with rigid rods followed by a fusion of the instrumented vertebrae to maintain the correction. As a result, mobility of the instrumented segment is lost. This surgery is also not ideal for growing patients.

Fusionless surgical techniques based on growth modulation are proposed for patients with a growth potential. These techniques are based on the Hueter-Volkmann principle:​ an increased compression of a growth plate leads to a growth rate reduction, and vice versa.

Among these growth modulating surgical techniques, anterior vertebral body tethering (AVBT) consists in compressing the spine unilaterally. After an immediate post-op correction, the remaining growth of the spine carries on the correction progressively over time. Experimental studies have compared the impact of static compression on the spine, such as the one exerted by AVBT, compared to cyclic compression. It was shown that cyclic compression modulated growth similarly to static compression, but with an improved preservation of intervertebral discs and growth plates.

In this thesis, it was first proposed to develop a prototype allowing cyclic compression of the spine with a tether. Secondly, both the feasibility and the biomechanical effects of the prototype on a porcine animal model were evaluated by experimentally characterizing the pressure induced on the growth plates for different tensions.

The prototype consists of a Bowden cable assembly (axially rigid sheath in which a tether slides) and a control box containing the mechatronic components for the cyclic compression of the spine. The first end of the tether is attached to the proximal vertebra with a screw and can slide into the underlying screw heads. Its second end is attached to a motor through a pulley winding or unwinding the tether. The sheath is fixed between the distal vertebra and the control box. When the motor pulls on the tether, a tether tension is generated;​ with the sheath acting as a fulcrum, the entire instrumented segment is then compressed. The motor rotates alternately to cyclically compress the spine. For the experimental characterization, sensors are used to record the pressure on the vertebral endplates of the spine and the tension of the tether. The pressure amplitude, the average pressure, the frequency and the duration are adjustable parameters.

The relationship between the tether tension and the pressure developed on the vertebral endplates was first characterized in static mode using cadaveric porcine spines. To do so, four porcine thoracic spines were extracted and placed in lateral decubitus on a custom made stand. The T14 vertebra was fixed while T1 could slide horizontally. A tether was attached to compress 4 or 6 levels, with a tether tension of 22N, 44N or 66N. The pressure developed on the compressed side of the vertebral endplates was measured with a thin force sensor, inserted between the upper vertebral endplate and its disc at the proximal, central and distal levels. These tests showed that the pressure measured on each of the vertebral endplates remained similar among the proximal, central and distal levels, when using both 4 or 6 implants (4 or 6) (p> 0.05). However, the pressure was significantly different between the configurations of 4 or 6 instrumented levels, with an average pressure of 0.76 ± 0.03 MPa and 0.60 ± 0.03 MPa, respectively (p = 0.021). The applied pressure was also linearly correlated with the tether tension (r² = 0.97).

The prototype was then cyclically tested on porcine cadaveric spines and on an in vivo pig. The cadaveric study was performed on two pigs under testing conditions similar to those previously detailed but with different sinusoidally varying tether tension. For the in vivo study, a lateral thoracotomy was performed on a previously anesthetized healthy pig. The T7-T10 segment was instrumented and cyclically compressed for 50 s with an average tether tension of 29 N, 35 N, 40 N, 44 N or 49 N, oscillating between ± 30% of the average tether tension at 0.2 Hz. The pressure exerted on the vertebral endplate of T9 (in the middle of the instrumented segment) was recorded during the cyclic loading using a pressure sensor. Three repetitions were performed for each tether tension. The average pressure measured on the vertebral endplate was linearly related with the average tether tension (r² = 0.86). The pressure change in the spine, as a function of the tether tension, showed a hysteresis behavior, which is characteristic of viscoelastic materials such as the intervertebral disc.

In this doctoral project, a prototype allowing cyclic compression of the spine with a tether was designed showed the technical and functional feasibility to transmit appropriate cyclic compressions for growth modulation. Future work will evaluate the mecanobiological impact of this cyclic compression on growth modulation as well as on soft tissue. This step will be required prior to evaluating the transferability of this device for possible use on scoliotic patients.