OCLC: 1019464713
PROQUEST: 899816198
The most severe cases of spinal deformity, such as scoliosis, require surgical intervention in order to treat symptoms and re-align the spine. During surgical procedures, patients are typically kept in the prone position while surgical instrumentation is utilized to manipulate and fix spinal geometry. Patient positioning on surgical frames has been shown to have an impact on spinal geometry which can be exploited in order to facilitate and improve upon surgical procedures. Current commercial surgical frames have no or limited patient positioning capabilities. In order to best take advantage of a surgical frame's positioning capabilities, knowledge must be gained on how they will impact a given patient's spinal geometry.
This project was done in parallel with the design and construction of a new Multi-Functional Positioning Frame (MFPF) for spinal surgeries which allowed for lower limb positioning and thoracic vertical displacement. The MFPF itself was a combination of two previously developed surgical positioning devices: the Dynamic Positioning Frame (DPF) (allowing thoracic cushion adjustment and corrective force application) and the “leg positioner” (allowing hip flexion and extension). Finite element modeling (FEM) was previously used to study patient positioning on the DPF.
The global objective of this thesis was to study how patient positioning on a frame can be used in order to improve scoliosis instrumentation procedures through the intra-operative manipulation of spinal geometry. The specific objectives of this project were: 1) adapt and develop a FEM of the spine, thoracic cage, pelvis, and adjacent structures that is able to simulate the geometric effects on the spine resulting from prone positioning and feature adjustment on the MFPF; 2) experimentally test the impact of prone positioning and feature adjustment on the MFPF and utilize the results to validate the FEM; 3) exploit the FEM in order to study additional surgical positions allowing modification of spinal geometrical parameters not possible on the original MFPF design and experimentally assess these new positions using proof of concept features constructed for the MFPF; and 4) exploit the FEM in order to study the impact of combined MFPF positioning parameters on the geometry of the spine (especially the leg positioning and thoracic components) including developing a method allowing for individual and global optimization of spinal geometrical parameters.
It was hypothesized that: 1) a FEM of the human spine, thoracic cage, pelvis, and relevant adjacent structures can simulate the geometric effects, on the spine, resulting from a patient moving from a standing position to a prone position on the MFPF with a coronal and sagittal plane Cobb angle accuracy of 5° for a segmental curve; 2) leg positioning has an important impact on the geometry of the spine. Manipulation of a patient's leg position while on the MFPF can modify lumbar lordosis by +25%, -40%, thoracic kyphosis by +20%, -10%, and reduce the primary coronal plane Cobb by 10% relative to a neutral prone position; and 3) the combined use of the MFPF positioning features has an important impact on the geometry of the spine which can be utilised intra-operatively to facilitate spinal instrumentation procedures. Combined use of the MFPF positioning features can modify lumbar lordosis by +30%, -60%, thoracic kyphosis by +60%, -30%, and reduce the primary coronal plane Cobb angle by 25% relative to the neutral prone position.
In the context of the first objective, lower limbs including muscles, ligaments, and joints were added to a previously developed FEM of the spine, ribcage and pelvis. Lower limb geometry can be personalized to a specific patient based on direct measurement or by scaling using anthropometric equations.
In the context of the second objective, experimental testing of prone positioning and hip flexion/extension was performed on the MFPF with 10 subjects which was reproduced with patient-specific FEMs in order to test validity. The FEMs were then exploited to further study aspects of prone positioning (e.g. impact of thoracic cushion configuration) and lower limb positioning (e.g. more extreme and intermediate leg positions) which were not possible through experimental testing alone. Thoracic vertical displacement was also experimentally tested with 6 subjects.
In the context of the third objective, three novel surgical positions on the MFPF were developed (lateral leg rotation, pelvic torsion and lateral thoracic displacement) based on FEM simulations. Prototype features were fabricated and experimentally tested on 10 subjects for their impact of scoliotic deformity parameters.
In the context of the fourth and final objective, the combined impact of all the MFPF positioning features were studied through a design of experiment using the FEM the results of which were used to develop methods of optimization for both individual spinal geometrical parameters and global spinal geometry.
Experimental testing yielded the following results:
FEM simulations of prone positioning, hip flexion/extension, and combined positioning including thorax vertical displacement, thorax lateral displacement, lower limb lateral displacement and pelvic torsion yielded the following results:
Use of the MFPF positioning features allowed for a wide range of spinal geometrical parameters to be manipulated. Several of its novel positioning features have great potential for the improvement of spinal instrumentation procedures by offering surgeons a wider range of possible intra-operative geometries. The FEM developed allowed for the detailed study of existing surgical positions as well as aided to develop some new ones. Finally, the FEM allowed for optimization of the combined use of multiple surgical positions.
Les cas les plus graves de déformation rachidienne, telles que la scoliose, nécessitent une intervention chirurgicale afin de traiter les symptômes et de réaligner la colonne vertébrale. Au cours de l'intervention chirurgicale, les patients sont habituellement maintenus dans une position en décubitus ventral et une instrumentation est utilisée pour corriger et fixer la géométrie de la colonne. Il a été démontré que le positionnement des patients sur des cadres chirurgicaux a un impact sur la géométrie rachidienne, mais ceci n'est pas exploité afin de faciliter et améliorer les procédures chirurgicales. Les cadres disponibles commercialement ont des capacités limitées de positionnement du patient qui puisse être modifiable durant l'intervention. Aussi, afin d'exploiter éventuellement les diverses possibilités de positionnement, on doit connaître l'impact de ces positions sur la modulation de la géométrie de la colonne vertébrale du patient opéré.
Ce projet a été effectué en parallèle avec la conception et la construction d'un nouveau cadre de positionnement multifonctionnel (MFPF) pour les chirurgies du rachis qui permet le positionnement des membres inférieurs ainsi que le déplacement vertical du thorax. Le MFPF luimême était une combinaison de deux cadres précédents permettant le positionnement chirurgical: le DPF (permettant le réglage de coussins sur le tronc et l'application de forces correctives) et le "leg positionner" (permettant la flexion et l'extension des membres inférieurs). La modélisation par éléments finis (MEF) a été utilisée pour étudier le positionnement de patient sur le DPF.
Les objectifs spécifiques de ce projet étaient: 1) d'adapter et développer une MEF de la colonne vertébrale, cage thoracique, bassin, et des membres inférieurs qui soit capable de simuler les effets géométriques sur la colonne vertébrale résultant du positionnement en décubitus ventral et de l'ajustement des capacités de positionnement du MFPF; 2) effectuer des essais expérimentaux sur le positionnement en décubitus ventral et les capacités de positionnement du MFPF et utiliser les résultats pour valider le MFF; 3) exploiter le MEF pour développer de nouvelles possibilités de positionnement sur le MFPF permettant de moduler la géométrie de la colonne vertébrale et évaluer ces nouvelles positions expérimentalement avec des accessoires construit pour le MFPF; et 4) exploiter la MEF afin d'étudier l'impact de la combinaison des capacités de positionnement du MFPF sur la géométrie du rachis, ainsi que développer une méthode pour son optimisation.
Les hypothèses étaient les suivantes: 1) une MEF de la colonne vertébrale, de la cage thoracique, du bassin et des structures adjacentes permet de simuler les effets géométriques, sur la colonne vertébrale, résultant du positionnement en décubitus ventral sur le MFPF avec une précision de 5° pour les angles de Cobb des courbes segmentaires coronale et sagittale; 2) le positionnement des jambes sur le MFPF a un impact significatif sur la géométrie de la colonne vertébrale (i.e. modification de la lordose lombaire de +25%, -40%, la cyphose dorsale de +20%, -10%, et réduction de l'angle de Cobb coronal primaire de 10% par rapport à la position neutre de référence); et 3) l'utilisation combinée des capacités de positionnement du MFPF a un impact significatif sur la géométrie de la colonne vertébrale qui peut être utilisée intra-opératoirement pour faciliter les procédures d'instrumentation rachidienne (i.e. modification de la lordose lombaire de +30%, -60%, la cyphose dorsale de +60%, -30%, et réduction de l'angle de Cobb coronal primaire de 25% par rapport à la position neutre de référence).
Dans le cadre du premier objectif, les membres inférieurs, y compris les muscles, les ligaments et les articulations ont été ajoutés à une MEF déjà développée de la colonne vertébrale, cage thoracique et bassin. La géométrie des membres inférieurs peut être personnalisée à un patient spécifique basé sur des mesures directes ou par mise à l'échelle en utilisant des équations anthropométriques.
Dans le cadre du second objectif, des essais expérimentaux du positionnement en décubitus ventral et des membres inférieurs ont été réalisés avec 10 sujets sur le MFPF, qui ont ensuite été reproduits avec la MEF spécifique à ces sujets pour tester sa validité. La MEF a ensuite été exploitée pour une étude plus approfondie du positionnement en décubitus ventral (par exemple l'impact de la configuration des coussins thoraciques) et le positionnement des membres inférieurs (par exemple, des positions plus extrêmes et intermédiaires des jambes) qui n'auront pas été possibles avec uniquement des tests expérimentaux. De plus, le déplacement vertical du thorax sur le MFPF a été expérimentalement évalué pour son impact sur les courbures sagittales sur 6 sujets.
Dans le cadre du troisième objectif, trois nouveaux concepts de positionnement chirurgical ont été développés (rotation latérale des jambes, torsion du bassin, et déplacement latéral du thorax) basés sur des simulations effectuées a priori avec la MEF. Des prototypes de ces nouveaux concepts de positionnement ont été fabriqués et expérimentalement évalués sur 10 sujets pour leur capacité de réduire les déformations scoliotiques.
Dans le cadre du quatrième et dernier objectif, l'impact combiné de toutes les capacités du MFPF a été étudié avec un plan d'expériences effectué avec la MEF dont les résultats ont été utilisés pour développer des méthodes d'optimisation pour les paramètres géométriques individuels et globaux de la colonne vertébrale.
Les essais expérimentaux ont donné les résultats suivants:
Des simulations avec la MEF du positionnement en décubitus ventral, flexion/extension des jambes, et positionnement combiné incluant le déplacement vertical du thorax, déplacement latéral du thorax, déplacement latéral des jambes, et torsion pelvienne a donné les résultats suivants:
L'utilisation des capacités de positionnement du MFPF permet de manipuler un grand nombre de paramètres géométriques de la colonne vertébrale. Plusieurs des capacités de positionnement nouvelles ont un potentiel pour l'amélioration des procédures d'instrumentation rachidienne en offrant aux chirurgiens une large gamme d'ajustements de la géométrie du rachis pendant l'opération. La MEF développée a permis l'étude détaillée des positions opératoires existantes ainsi qu'à en développer des nouvelles. Enfin, la MEF a permis d'optimiser l'utilisation combinée de plusieurs positions opératoires.