La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin qui apparaît lors de la croissance. Des déformations de la colonne vertébrale avec des courbes de 10° ou plus nécessitant un suivi ou un traitement affectent 0,23 % de la population. L’incidence est plus élevée chez les filles. Pour les patients en croissance avec des courbes entre 25° et 45°, le traitement prescrit habituellement est le corset orthopédique. En Amérique du Nord, le type le plus utilisé est le corset de Boston. Autrefois fabriqué avec des moules de plâtre, la production du corset a fortement été améliorée par l’ajout de technologies permettant la conception et fabrication assistées par ordinateur (CFAO). Ces nouvelles techniques de production incluent entre autres l’acquisition numérique de la forme externe du tronc du patient par topographie de surface et la modification de celle-ci à l’aide de logiciels de CFAO destinés à la fabrication d’orthèses. La conception des corsets repose par contre sur des processus empiriques et, de manière générale, les spécialistes n’arrivent pas à un consensus sur le design optimal.

Afin d’améliorer l’efficacité du corset par la vérification de son effet immédiat avant que celui-ci ne soit fabriqué et porté par le patient, un outil de simulation exploitant une méthode de simulation par éléments finis des corrections du corset sur le tronc du patient a été développé. Plusieurs travaux de recherche utilisant cet outil de simulation ont été réalisés par le groupe du CHU Sainte-Justine et de l’École Polytechnique. Les résultats d’une étude clinique ont montré que la méthode de simulation du corset prédisait avec une précision de 5° d'angle de Cobb les corrections obtenues avec les corsets fabriqués par CFAO portés par les patients. Récemment, une étude par essai randomisé contrôlé a montré que l’ajout des simulations numériques par éléments finis du corset au processus de conception et fabrication assistées par ordinateur permettait d’obtenir des corsets plus légers et offrant une meilleure correction.

L’outil de simulation requiert une reconstruction personnalisée du tronc du patient dont la modélisation des structures osseuses internes est obtenue minimalement à partir de radiographies coronale et latérale calibrées du patient. Cependant, plusieurs centres n’effectuent pas de calibrage des radiographies ou n’effectuent pas de radiographie latérale, ce qui limite l’utilisation de l’outil de simulation.

Pour répondre à ce besoin, le présent projet de maîtrise vise à développer une méthode de reconstruction 3D simplifiée du tronc de patient avec uniquement une radiographie postéroantérieure et un scan de surface du tronc. Les différences de mesures d’indices cliniques ont été obtenues avant et après simulation de l’installation du corset sur le modèle éléments finis du tronc reconstruit avec la méthode simplifiée et celui obtenu avec la méthode de référence qui incluait une radiographie latérale.

Une méthode de reconstruction (UneRx) a été développée à partir d’une radiographie coronale, d’un scan de la géométrie de surface du tronc et un modèle 3D déformable de rachis et bassin provenant d’une banque de modèles de patients déjà reconstruits. Ce modèle déformable est krigé à partir des informations extraites de la radiographie coronale du patient mise à l’échelle grâce au scan de surface du tronc. La forme de la colonne vertébrale dans le plan sagittal est modifiée et personnalisée aux courbures de la géométrie externe du tronc en déplaçant des vertèbres en conséquence. Puis, la cage thoracique est reconstruite grâce à des points identifiés sur la radiographie et le volume de celle-ci est estimé à l’aide du scan de surface. Les modèles géométriques de colonne vertébrale, du bassin, de la cage thoracique et les tissus mous internes et externes sont transférés dans un modèle par éléments finis déjà existant au laboratoire.

Un corset a ensuite été modélisé de manière rationnelle en utilisant le modèle éléments finis du tronc personnalisé au patient. Des déplacements sont appliqués aux vertèbres du modèle dans le plan coronal afin de corriger les courbures scoliotiques. Puisque les structures internes et externes sont reliées mécaniquement :​ la modification des géométries des structures internes (colonne vertébrale et côtes) déforme les tissus mous et engendre une modification cohérente de la géométrie externe (peau). Cette géométrie externe modifiée du tronc est la forme de base avec laquelle un corset est modélisé. Ensuite, la géométrie modifiée du tronc est importée dans un logiciel de CFAO de conception d’orthèses, où les zones des appuis et les zones d'expansion sont accentuées, les ouvertures sont créées et les emplacements des courroies sont ajoutés. La forme du corset est ensuite utilisée dans le modèle éléments finis du patient dont la géométrie a été obtenue avec la nouvelle méthode UneRx.

Les reconstructions de 10 patients ont été effectuées avec la méthode UneRx et comparées aux reconstructions de ces mêmes patients avec la méthode de référence. Des différences moyennes de 1,4° et 1,7° sont obtenues pour les angles de Cobb thoracique et lombaire. Pour les courbures sagittales, les différences sont de 2,6° pour la cyphose et 5,5° pour la lordose. Des comparaisons statistiques effectuées sur les modèles géométriques reconstruits avec la méthode UneRx et avec la méthode de référence montrent une différence moyenne de 4,5 mm et un écart-type de 5,6 mm. Ces mesures ont été prises entre les centres des plateaux supérieurs des vertèbres T1 à S1 dans le plan coronal.

La comparaison des résultats après simulation du corset sur les modèles reconstruits avec la méthode de référence et UneRx montrent une différence moyenne absolue de 2,8° et 2,4° pour les angles de Cobb thoracique et lombaire. Dans le plan sagittal, les différences moyennes sont de 3,5° pour la cyphose et 5,4° pour la lordose.

Ces premiers résultats montrent la faisabilité d’obtenir une reconstruction 3D de la colonne vertébrale, la cage thoracique et du bassin à partir d’une radiographie coronale et d’un scan de surface de la géométrie externe du tronc du patient. De plus, les reconstructions 3D issues de la nouvelle méthode de reconstruction peuvent être utilisées pour concevoir et simuler des corsets pour le traitement de la scoliose avec une précision acceptable. La méthode développée peut être utilisée comme méthode de reconstruction 3D alternative afin d’effectuer des simulations de corsets lorsque la radiographie sagittale n’est pas disponible.

Adolescent idiopathic scoliosis (SIA) is a three-dimensional deformity of the spine, rib cage and pelvis occurring during growth. 0.23% of the population, mostly girls, is affected by progressing spinal curves of 10° or more. For growing patients with curves between 25° and 45 °, orthopedic brace is the treatment usually prescribed. In North America, the most common type is the Boston brace. Formerly made from plaster molds, the braces’ production efficiency has been greatly improved by adding computer-aided design and manufacturing (CAD / CAM) technologies. These new production techniques include the numerical acquisition of the external shape of the patient's trunk and the modification of the latter with a CAD / CAM software for orthosis production. However, braces’ design is the result of an empirical process and, in general, experts do not reach a consensus on the optimal design.

In order to improve the effectiveness of the brace by testing its immediate effect before being manufactured and worn by the patient, a simulation tool using a finite element simulation method of the installation of the brace on a personalized patient’s trunk model was developed. Several research studies using this simulation tool were done by the CHU Sainte-Justine and Polytechnique group. Results of a clinical study showed that the brace simulation method predicted corrections obtained with the brace made by CAD/CAM and worn by the patient within 5° Cobb angle accuracy. Recently, a randomized controlled trial study demonstrated that adding finite element numerical simulations to computer-aided design and fabrication process provided lighter braces and achieved better correction by the brace.

The simulation tool requires a personalized reconstruction of the patient's trunk which the internal bone structures’ modeling is obtained minimally from a coronal and a lateral calibrated X-rays of the patient. However, several healthcare centers do not calibrate the radiographs or do not perform lateral X-rays, which limits the use of the simulation tool.

To undertake this need, the aim of this Master's project was to develop a simplified 3D reconstruction method of the patient's trunk with only a postero-anterior radiograph and a trunk surface scan. Clinical measurements differences were obtained before and after simulation of the installation of the brace on the finite elements model reconstructed with the simplified method and obtained with the reference method which included a lateral X-ray.

A reconstruction method (Single X-ray method) was developed using a coronal X-ray, a geometry of the trunk’s surface and a deformable 3D model of the spine and pelvis from a database of patients already reconstructed. This deformable model was kriged based on the information extracted from the patient's coronal X-ray scaled with the trunk surface scan. The shape of the spine in the sagittal plane was modified and customized to the curvatures of the external geometry of the trunk by moving vertebrae accordingly. The rib cage was then reconstructed using points identified on the radiograph and the volume of the rib was estimated using the surface scan. The geometric model of the spine, pelvis, rib cage and internal and external soft tissues were transferred to a finite element model.

The reconstructions of 10 patients were performed with the Single X-ray method and compared to the reconstructions of the same patients built with the reference method. Mean differences of 1.4 ° and 1.7 ° were obtained for thoracic and lumbar Cobb angles. For sagittal curves, the differences were 2.6 ° for kyphosis and 5.5 ° for lordosis. Statistical comparisons of the reconstructed models with the Single X-ray method and the reference method showed an average difference of 4.5 mm and a standard deviation of 5.6 mm. These measurements were taken between endplates centers of T1 to S1 in the coronal plane.

Comparisons of the results after simulation of the brace with models reconstructed with the reference method and the Single X-ray method showed an absolute mean difference of 2.8 ° and 2.4° for thoracic and lumbar Cobb angles. In the sagittal plane, mean differences were 3.5 ° for kyphosis and 5.4 ° for lordosis.

These first results show the feasibility to obtain a 3D reconstruction of the spine, rib cage and pelvis from a coronal X-ray and a patient's trunk surface scan. Furthermore, 3D reconstructions from this novel method can be used to design and simulate braces for scoliosis treatment with an acceptable accuracy. The developed method can be used as an alternative 3D reconstruction method to perform braces simulations when a sagittal X-ray is not available.