La scoliose est une maladie qui génère des déformations complexes de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. En Amérique du Nord, le traitement non chirurgical le plus utilisé est l'orthèse thoraco-lombo-sacrée. Bien qu'elles corrigent significativement les courbures dans le plan frontal, les orthèses ont des effets adverses dans les plans sagittal et transverse. En particulier, les corsets ont tendance à diminuer les courbes sagittales normales du rachis, ont un effet limité sur la rotation axiale vertébrale, ainsi que sur la gibbosité et ont tendance à faire tourner les plans de déformation maximale vers le plan coronal, Des études utilisant un modèle biomécanique par éléments finis ont été effectuées afin de chercher de nouvelles mises en charge du tronc, améliorant les courbures frontales du rachis tout en ayant un effet positif sur les autres aspects de la déformation.

L'objectif de ce projet est de développer une approche d'optimisation de la correction de la déformation scoliotique en utilisant un modèle biomécanique par éléments finis de la colonne vertébrale et de la cage thoracique, personnalisé à la géométrie de patients scoliotiques.

La géométrie du modèle biomécanique est obtenue en utilisant une technique de reconstruction tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique développée à l'hôpital Sainte-Justine et à l'École Polytechnique de Montréal. Des repères anatomiques sont numérisés sur des radiographies multi vues et reconstruits en 3D. Le modèle biomécanique par éléments finis est ensuite généré en utilisant l'information géométrique personnalisée à chaque patient. Vingt patients ont été sélectionnés pour cette étude. Ils présentaient des courbures thoracique droite-lombaire gauche avec des angles de Cobb moyens de 32±6 et 34±7 degrés, respectivement pour les courbes thoracique et lombaire. Ce modèle a été introduit dans un processus itératif d'optimisation développé afin de trouver la mise en charge optimale du tronc pour corriger en 3D les déformations scoliotiques. À chaque itération, des forces ont été appliquées sur le tronc et une fonction objective a été calculée en utilisant la géométrie résultante. La fonction objective qui a été minimisée inclut des termes descripteurs de la déformation 3D de ia scoliose, notamment la gibbosité et la position des vertèbres par rapport à une colonne normale dans les plans frontal et sagittal. Divers indices ont été calculés sur la géométrie finale simulée du modèle biomécanique et comparés aux indices du patient au début de son traitement (sans son corset), ainsi qu'avec son corset de Boston. De plus, des études de sensibilité réalisées sur les paramètres de l'optimisation ont permis de connaître ceux ayant le plus d'influence sur la correction du rachis et d'analyser le comportement de la méthode d'optimisation.

La méthode d'optimisation développée dans cette étude a corrigé le tronc scoliotique en réduisant la fonction objective de plus de 50% en moyenne, avec une réduction des descripteurs opérant principalement au niveau de la courbure thoracique, des courbes sagittales et de la gibbosité. La réduction des descripteurs s'est traduite par la correction des déformations scoliotiques démontrée par la réduction de certains indices cliniques. Généralement, les angles de Cobb dans les plans frontal et sagittal ainsi que la gibbosité ont été améliorés. Les résultats obtenus démontrent ainsi la faisabilité d'utiliser un modèle biomécanique par éléments finis pour analyser de nouvelles mises en charge du tronc pour la correction de la scoliose. Cette méthode d'optimisation permet de personnaliser le traitement à la géométrie unique de chaque patient. Certains paramètres, tels que la pondération des termes de la fonction objective, les critères d'arrêt et les limites des descripteurs peuvent être modifiés afin de spécifier l'emphase sur certains aspects de la correction. Le modèle utilisé comporte des limitations qui doivent être considérées dans l'interprétation des résultats, notamment au niveau des conditions limites et des propriétés mécaniques spécifiques à chaque sujet.

Enfin, cette approche pourra être utilisée afin d'aider les médecins et orthésistes à déterminer les meilleurs endroits pour l'application des forces sur le tronc. À long terme, ces études permettront d'aider à la conception de nouvelles orthèses plus efficaces biomécaniquement et d'améliorer les traitements orthotiques de la scoliose.

Scoliosis causes complex deformations of the spine and the rib cage. Bracing is the most prescribed non-surgical treatment for scoliosis in North America. Although bracing is beneficial in the frontal plane, it also has adverse effects in the sagittal and transverse planes. Braces tend to reduce normal spinal sagittal curvatures, have limited effect on axial vertebral rotation and rib hump, and tend to rotate the planes of maximum deformities towards the coronal plane. Previous studies have been performed using a biomechanical finite element model in order to study new trunk loading patterns to improve frontal curves, as well as having a positive effect on the other aspects of the deformity.

The objective of this project is to develop an optimization approach to correct the scoliotic deformity using a finite element model of the spine and the rib cage, personalized to the geometry of scoliotic patients.

The model's initial geometry is obtained using a 3D reconstruction technique of the spine and rib cage developed at Sainte-Justine's Hospital and École Polytechnique of Montréal. Anatomical landmarks are digitized on multi-view radiographs and reconstructed in 3D. The biomechanical finite element model is then generated using the personalized geometry of each patient. Twenty patients were selected for this study. They had right thoracic and left lumbar curvatures with respective Cobb angles of 3216 and 34±7 degrees. This model was introduced into an iterative optimization process to determine the optimal loading pattern of the trunk to correct in 3D the scoliotic deformities. Forces were applied on the trunk at each iteration and an objective function is computed using the resulting geometry. The objective function, which was minimized includes terms describing the 3D aspects of the scoliotic deformity:​ the rib hump and the frontal and sagittal distances of the vertebrae with respect to a normal spine. Various indices were calculated on the final geometry of the biomechanical model, and compared with the patient's geometry with and without his Boston brace. Moreover, sensitivity studies were also performed on optimization parameters to know which one has the most influence on the correction of the trunk and to analyse the behaviour of the optimization method.

The optimization procedure corrected the scoliotic trunk by reducing the objective function by more than 50% in average, with an associated reduction of the descriptors occurring mainly on the frontal thoracic curve, the sagittal curves and the rib hump. This reduction of the descriptors also produced a correction of scoliotic deformities shown by an improvement of the clinical indices. Results show the feasibility of using a biomechanical finite element model to study new scoliosis treatment approaches. This optimization method can personalize the treatment to each patient's unique geometry. Optimization parameters, such as the weights of the objective function or the convergence conditions can be modified in order to emphasize certain aspects of the correction. However, limitations of the model have to be considered in the interpretation of the results, such as the limits caused by the boundary conditions and the mechanical properties specific to each individual.

Finally, this optimization approach can help physicians and orthotists determine the best emplacement to apply forces on the trunk. In the long term, these studies will help to design new, more effective braces and improve orthotic treatment of scoliosis.