La scoliose est une déformation musculo-squelettique complexe et tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Les mécanismes de progression de la scoliose sont liés au principe de Hueter-Volkmann. Selon cette théorie, les chargements asymétriques des plaques de croissance altèrent la croissance du rachis (cunéiformisation des vertèbres). Une courbure scoliotique présentant un angle de Cobb supérieur à 50° nécessite généralement une intervention chirurgicale avec fusion rachidienne. Cette chirurgie implique des procédures particulièrement invasives et coûteuses, ce qui a incité plusieurs chercheurs à tenter de développer d’autres alternatives.

Des techniques minimalement invasives et sans fusion ont ainsi été élaborées pour contrôler et corriger un mauvais alignement de la colonne vertébrale avant qu'une progression trop importante des déformations scoliotiques ne se produise. Ces techniques tentent d'exploiter la croissance vertébrale résiduelle afin de corriger la cunéiformisation locale et d’aboutir à un réalignement progressif du rachis. Les traitements sans fusion semblent également mettre en péril la santé du disque intervertébral à long terme et se limitent à une correction 2D (plan frontal) de déformations intrinsèquement 3D. Mieux comprendre biomécaniquement la progression des déformations scoliotiques permettrait de développer des dispositifs sans fusion plus efficaces. Cela serait une contribution importante et innovatrice à l'amélioration du traitement de la scoliose idiopathique adolescente (SIA).

L'objectif global de cette thèse était le développement, l’optimisation, et l’évaluation expérimentale d'implants sans fusion afin de moduler la croissance et de corriger les déformations scoliotiques.

Les objectifs spécifiques étaient de 1) développer un modèle par éléments finis (MEF) de la colonne vertébrale intégrant une modélisation de la croissance;​ 2) exploiter ce MEF pour étudier les facteurs biomécaniques impliqués dans les mécanismes de progression de la SIA;​ 3) exploiter le MEF pour analyser la biomécanique des dispositifs sans fusion existant actuellement et repérer les améliorations pouvant être apportées à ces dispositifs;​ et 4) exploiter la plate-forme de conception conçue (analyses in silico, in situ, et in vivo) pour développer, optimiser, et valider de nouveaux dispositifs sans fusion modulateurs de croissance pour la correction des déformations de la SIA.

L’idée centrale de cette thèse est que le développement de nouveaux traitements sans fusion plus performants peut être réalisé en comprenant mieux les facteurs biomécaniques impliqués dans les mécanismes pathologiques de la SIA, en identifiant les lacunes des dispositifs sans fusion utilisés actuellement et en utilisant une plate-forme de conception complète incluant des analyses in silico, in situ et in vivo.

Cette idée centrale a été divisée suivant les hypothèses suivantes:​

1) Des facteurs biomécaniques (différence des propriétés mécaniques entre la concavité et la convexité de la colonne scoliotique) augmentent les contraintes asymétriques sur les plaques de croissance épiphysaires de la vertèbre apicale de 25% et de ce fait augmentent la progression de la cunéiformisation vertébrale de 1° (soit 10%) sur un an de croissance à l'adolescence;​ 2) les dispositifs sans fusion modulateurs de croissance actuels (agrafes à mémoire de forme, agrafes en acier inox, et attaches souples) réduisent les chargement asymétriques sur les plaques de croissance de la vertèbre apicale de 35% et limitent la progression scoliotique à 10% sur deux ans de croissance adolescente;​ 3) un dispositif intravertébral épiphysaire amélioré permet de modifier la cunéiformisation vertébrale de 4° sans modifier la physiologie du disque intervertébral dans un modèle porcin après 12 semaines;​ et 4) une attache souple 3D permet de modifier la cunéiformisation vertébrale de 4° et la rotation axiale de 5° dans un modèle porcin après 12 semaines.

Afin de répondre à ces objectifs et d’évaluer ces hypothèses, un MEF a été conçu pour être utilisé comme plate-forme initiale de développement. A ce MEF a été intégré un système de contrôle itératif permettant de simuler la croissance physiologique en fonction de la variation de contraintes en se basant sur des données obtenues in vivo.

Premièrement, le MEF a étudié l’influence de facteurs biomécaniques (différences entre la concavité et la convexité des courbures scoliotiques:​ migration du nucléus vers la convexité, augmentation de la densité minérale osseuse et dégénérescence des disques sur la concavité) sur la progression de la SIA. Cette modélisation suggère que ces différences concavité-convexité augmentent les contraintes asymétriques de 37% et, par conséquent, augmentent la cunéiformisation vertébrale de 1° (10-20%) en moyenne. Les méthodes et découvertes expérimentales de cette étude ont ensuite été étendues à l’analyse des dispositifs sans fusion actuellement utilisés.

Deuxièmement, le MEF a été utilisé pour explorer de façon critique les dispositifs sans fusion modulateur de croissance actuellement utilisés pour le traitement de la SIA. Les résultats de cette analyse ont démontré que ces dispositifs permettaient de réduire les chargements asymétriques sur la plaque de croissance à l’apex de la courbe de près de 50% (attache souple) et permettaient de réduire la progression scoliotique à 11% (agrafes inox et ancrage flexible). Cette analyse a également mis en évidence plusieurs limites qui pourraient être dépassées. Les concepts explorés réduisent seulement la croissance au niveau de la convexité des courbures, réduisent l'espace du disque, et négligent les déformations scoliotiques sagittales et transverses.

Suite à cette analyse, deux nouveaux dispositifs ont été proposés:​ un dispositif intravertébral épiphysaire (dispositif rigide qui stoppe localement la croissance sans réduire l'espace des disques) et une attache souple 3D permettant un contrôle de la scoliose dans les plans frontaux et sagittaux mais aussi une correction dans le plan transverse.

Le dispositif intravertébral épiphysaire a réussi à moduler la croissance sans fusion tout en conservant l'espace du disque. En outre, la santé du disque intervertébral est sauvegardée si le dispositif est inséré de façon appropriée. Les porcs utilisés dans nos expériences ont présenté une cunéiformisation vertébrale de 4.1°±3.6°, ce qui a permis d'obtenir une déformation vertébrale cumulative allant jusqu’à 25° sur seulement quatre niveaux instrumentés. Au niveau du point d'insertion du dispositif, la hauteur du disque a augmenté de 0,8 mm ± 0,2. La zone hypertrophique de la plaque de croissance et la hauteur de ses cellules ont été réduites par un facteur deux. La viabilité du disque a été confirmée par des classifications radiographique et histologique et via l’absence de collagène type X. Ce dispositif est le premier du genre à obtenir une modulation de croissance dans un modèle animal avec des dimensions de vertèbres semblables à ceux des adolescents sans réduire l'espace du disque intervertébral.

L’attache souple 3D a également entraîné une modulation de croissance locale dans les modèles porcins. Elle a produit une cunéiformisation des vertèbres de 3° et une correction dans le plan coronal allant jusqu’à 10°. Les effets dans les plans transverses et sagittaux ont été confirmés en utilisant des plateformes in silico et in situ, mais les limites expérimentales n'ont pas permis de confirmer ces effets in vivo en toute objectivité. Ce dispositif sans fusion est le premier à tenter activement de fournir une correction dans les trois plans anatomiques.

Plusieurs avancées notables ont été réalisées dans le cadre de cette thèse. Le MEF développé offre un moyen novateur d'explorer différentes hypothèses biomécaniques liées à la progression de la SIA. En outre, dans le cadre de la conception d'un dispositif modulateur de croissance sans fusion, ce MEF a permis de réaliser des analyses préliminaires avant de poursuivre avec des essais in situ et in vivo coûteux. Deux nouveaux dispositifs sans fusion avec modulation de croissance (dispositif intravertébral épiphysaire et attache souple 3D) ont été développés et optimisés selon une approche de conception utilisant des analyses successives in silico, in situ et in vivo. Le MEF, les éléments biomécaniques associés à la progression de la SIA qui ont pu être identifiés, et enfin les instruments chirurgicaux conçus au cours de cette thèse constituent un pas prometteur vers l'amélioration des traitements des adolescents atteints de scoliose idiopathique.

Scoliosis is a spinal musculoskeletal deformity defined by a 3D deformity of the spine. The pathomechanism of scoliotic progression may be in part explained by the Hueter-Volkmann principle. This theory describes how increased loading of growth plates will reduce regular growth rates while the converse is also accurate. Further, when extended to the pathogenesis of scoliosis, it defines how asymmetric loading of the vertebral bodies leads to the progression of the deformity via vertebral wedging. Currently, a scoliotic curve reaching a magnitude of 50° Cobb deformation requires surgical intervention involving instrumentation and spinal fusion. The process of fusion is among the most invasive and expensive procedures, which has motivated several researchers to develop other alternatives.

The development of a less invasive technique, to control and correct a spinal misalignment before undesirable progression occurs, has subsequently been explored. Several fusionless devices have been developed that attempt to manipulate vertebral growth to correct vertebral wedging and, consequently, realign the spine. However, to date, these approaches have yet to be adopted in a clinical context. Moreover, devices actively pursued seemed to imperil the long term health of the intervertebral disc while corrective attempts are restricted to the unilateral manipulation of a 3D deformity. Therefore, enhanced biomechanical understanding of AIS pathomechanism in conjunction with the development of early and less invasive interventions would offer an important contribution to the improved treatment of AIS.

The global objective of this thesis was to design, optimize, and evaluated experimentally fusionless device concepts to induce growth modulation and correct spinal curvatures in adolescent idiopathic scoliosis (AIS). The specific objectives were to:​ 1) develop a FEM of the spine with integrated growth dynamics;​ 2) exploit the FEM to explore biomechanical factors involved in the pathomechanism of AIS;​ 3) exploit the FEM to analyze biomechanically current fusionless growth sparring devices to identify available avenues of improvement;​ and 4) exploit the devised developmental platform (in silico, in situ, and in vivo analyses) to develop, optimize, and validate novel and improved fusionless growth modulating devices for AIS.

The central theme addressed in this thesis is that:​ improved fusionless treatments for AIS may be developed subsequently to understanding biomechanical factors in its pathomechanism, identifying shortcomings of previous fusionless devices, and utilizing a comprehensive design platform that include in silico, in situ, and in vivo analyses. This central theme was divided into the following hypotheses:​

This doctoral thesis aims to verify the hypothesizes that:​ 1) biomechanical factors (concaveconvex mechanical biases) of the scoliotic spine increases apical asymmetrical growth plate loading by 25% and, concomitantly, augment coronal vertebral wedge progression by 1° (10%) over 1 year of adolescent growth in a scoliotic spine;​ 2) current fusionless growth sparring methods (shape memory alloy staple, stainless staple, and flexible tether) reduce asymmetrical growth plate loading by 35% and restrict coronal scoliotic progression to 10% over 2 years of adolescent growth;​ 3) a refined intravertebral epiphyseal device will modify vertebral wedging by 4° without altering the intervertebral disc in a porcine model after 12 weeks;​ and 4) a 3D tether will modify vertebral wedging by 4° and axial rotation by 5° in a porcine model after 12 weeks.

The foremost undertaking of this thesis was the FEM platform development. This self-adjusting computer model was integrated with an iterative control system that simulated physiological growth as a function of stress variation respecting in vivo correlations. First, the FEM explored biomechanical factors (physiological stress shielding in the form of concave-convex mechanical biases:​ migration of nucleus to convexity and increased bone mineral density and local disc degeneration on concavity) in the pathomechanism of AIS. This interpretation suggests that concave-convex mechanical biases increased apical asymmetrical stress distribution by 37% and effectively augmented vertebral wedging by up to 1 (10-20%). Deductions and experimental methods were then extended towards the biomechanical analysis of current fusionless methods. Second, the FEM was utilized to critically explore current fusionless growth modulation devices tailored to AIS. Results from this analysis demonstrated the biomechanical ability of these devices to reduce asymmetrical growth plate loading by up to 50% (flexible tether) and decrease scoliotic progression to 11% (stainless steel staple and flexible tether). Conversely, this analysis highlighted several limitations that could be improved. The explored concepts simply reduce convex growth, span the disc space, and neglect sagittal and axial implications of the scoliotic deformity.

Two devices were proposed for development:​ an improved intravertebral epiphyseal device (rigid device that locally halts growth without spanning the disc space – feasibility reported in a previous in-house study using a rat tail) and a 3D tether (tethered configuration that targets axial correction in addition to coronal and sagittal control).

The intravertebral epiphyseal device successfully demonstrated its ability to provide fusionless growth modulation without the need to cross the disc space. Moreover, its influence on intervertebral disc health is insignificant pending accurate insertion of the device. Experimental pigs achieved vertebral wedging of 4.1°±3.6°, resulting in a cumulative vertebral deformity of up to 25° over only 4 instrumented levels. Adjacent to device, disc height increased 0.8mm±0.2 and growth plate hypertrophic zone and cell height reduced by a factor of two. Positive disc viability was confirmed by radiographic and histological grading and the lack of collagen type X. This device is the first of its kind to achieve growth modulation in an animal model with vertebral dimensions similar to adolescents without spanning the disc space.

The 3D tether also achieved local growth modulation resulting in vertebral wedging of up to 4° and coronal manipulation of up to 10° in porcine models. Axial and sagittal manipulations were confirmed using in silico and in situ platforms but experimental limitations restricted their objective in vivo confirmation. This is the first fusionless device to seek and demonstrate 3D correction of AIS.

Several notable advances have been achieved in the context of this thesis. The developed finite element platform provides an innovative way to explore biomechanical factors involved in the progression of AIS. In addition, in the context of device design, this FEM platform allows preliminary analyses and optimization to be performed prior to moving forth with expensive in situ and in vivo testing. Two novel fusionless growth modulating devices (intravertebral epiphyseal device and 3D tether) were refined and developed using a complete engineering design approach making use of in silico, in situ, and in vivo analyses. The developed FEM, the identified biomechanical factor in AIS pathomechanism, and the surgical devices conceived over the course of this thesis provide a hopeful step towards the improved management of adolescents with idiopathic scoliosis.