L'orthèse thoracolombaire sacrée est le type le plus commun de traitement non chirurgical utilisé dans le traitement de la scoliose idiopathique. Le corset de Boston, composé d'une coque rigide de polypropylène et d'une couche de mousse, est un exemple de ce type d'orthèse et est serré par deux courroies dans le dos du patient. La biomécanique des traitements orthotiques est un domaine relativement peu exploré et traditionnellement basé sur l'expertise des cliniciens et sur un certain empirisme. Peu d'études ont évalué la mesure des forces à l'interface entre le corset et le tronc et très peu d'entre elles traitent actuellement du concept de la mise en charge du tronc et des modes de transmission des efforts au rachis par le corset dans le traitement de la scoliose. Le but du présent projet est de proposer une nouvelle approche réaliste de modélisation du traitement par corset afin de représenter les effets de ce traitement.

Un modèle par éléments finis du patient, mis au point conjointement par l'École Polytechnique et l'Ensam-Paris a été utilisé comme modèle de base pour réaliser la simulation du traitement par corset. L'étude de faisabilité d'une nouvelle approche de modélisation du corset et de son interface avec le tronc a été effectuée sur un patient de 16 ans présentant un angle de Cobb au niveau thoracique droit de 40.4" et de 29.8° au niveau lombaire gauche. Une matrice de pression insérée sous le corset mis en place sur le patient a permis de mesurer les efforts générés par le corset et fournir la géométrie 3D de l'interface entre le corset et le tronc du patient. Une modélisation tridimensionnelle par éléments finis des deux couches du corset de Boston a ensuite été élaborée à partir de cette géométrie à l'aide du logiciel Ansys 5.7. Des éléments coques ont été utilisés pour modéliser l'enveloppe rigide du corset alors que des éléments solides linéaires élastiques à 8 noeuds ont été définis pour représenter la mousse. La couche des tissus mous du patient a été modélisée sous la couche de mousse du corset à l'aide d'éléments solides à 8 nœuds. Les propriétés mécaniques du corset et des tissus mous ont été tirées de la littérature.

Pour modéliser biomécaniquement l'interaction entre le patient et le corset, des éléments de contact de type point-surface ont été utilisés. Le choix de ce type d'élément a été effectué suite à une étude de simulation sur deux bancs d'essais. Cette étude suggère que le contact point-surface permet d'obtenir des résultats plus précis (erreur de 2%) que le contact surface-surface (erreur de 15%) et un temps de convergence moins élevé (2.2 s vs 7.5 s).

La simulation du traitement par corset a été réalisée en trois étapes. À partir de la géométrie du corset reconstruite sur le patient, une simulation a été effectuée pour obtenir la forme initiale du corset dans les conditions avant son installation sur le patient. L'ouverture du corset a ensuite été simulée par l'imposition de déplacements sur les points d'attache des courroies jusqu'à ce que le patient se trouve entièrement à l'intérieur du corset. Les éléments de contact ont par la suite été insérés dans le modèle. La simulation de la fermeture du corset a permis de serrer les courroies pour refermer le corset autour du patient. Les simulations ont été réalisées itérativement, par incréments de serrage des courroies, afin de tenir compte des non-linéarités géométriques associées aux grands déplacements et déformations des changements de statut des éléments de contact du système. Le corset a été refermé à plus de 85% et 46 éléments de contact ont été activés lors du serrage des courroies.

La géométrie déformée de la colonne vertébrale a été comparée aux indices géométriques de reconstructions 3D du patient dans son corset. Une comparaison des résultats du présent modèle a également été faite avec une simulation impliquant des forces calculées à partir des mesures prises par les capteurs de la matrice de pressions placée sous le corset. Les résultats des simulations du présent modèle sont en adéquation avec les indices de reconstruction 3D du patient dans son corset et indiquent une correction progressive de la colonne vertébrale qui suit les principes de correction d'un corset. Les résultats sont meilleurs que ceux obtenus avec le modèle de forces, particulièrement dans le plan coronal et en rotation axiale. Toutefois, une sous-correction de la gibbosité et de l'angle de Cobb a été observée entre les résultats obtenus à l'aide des simulations du présent modèle et les mesures prises sur le patient dans son corset.

Les résultats obtenus montrent la faisabilité de l'approche de modélisation qui représente une amélioration de la prédiction offerte par les modèles biomécaniques utilisés précédemment dans la simulation des traitements orthotiques. De même, la nouvelle modélisation représente de façon plus réaliste le transfert des charges du corset à la cage thoracique que l'application de forces directes sur le tronc. Toutefois, ces résultats suggèrent que d'autres mécanismes tels que les muscles et la pression intra-abdominale pourraient aussi jouer un rôle important dans le redressement de la colonne vertébrale. Cette approche de modélisation se veut également un banc d'essais pour le design de futures orthèses. Ainsi, une fois complètement validé sur plusieurs cas, un tel modèle permettrait de prédire l'effet d'un corset avant sa fabrication.

Thoracolumbosacral orthosis is the most common non-surgical treatment in progressive adolescent idiopathic scoliosis. An example of this type of orthsesis, the Boston brace, made of a polypropylene rigid shell and of a foam layer and is tightened by two straps in the back of the patient. The biomechanics of orthotic treatments is a relatively new field and is traditionally based on the expertise of clinicians and on a certain empirism. Few studies have measured the forces at the brace-torso interface and few of them discuss about the loads and the transmission mechanisms from the brace to the spine in the treatment of scoliosis. The aim of this project is to develop a new and more realistic approach of modeling scoliosis brace treatment.

A personalized finite element modeling of the patient, developed in collaborative association between École Polytechnique and Ensam-Paris was used to realize the simulation of the treatment of the brace. A faisability study of a new modeling approach to represent the brace-torso interface was performed on a 16 years old patient having progressive idiopathic scoliosis with Cobb angles of 40.4° and 29.8" respectively for thoracic and lumbar curves. A matrix composed of pressure sensors was inserted under the brace and positionned on the patient to obtain pressure measurements and the 3D geometry of the interface between the brace and the trunk of the patient. A tridimensional finite element modeling of the two layers of the brace was then elaborated from this geometry with the help of Ansys 5.7. Shell elements were used to represent the rigid shell of the brace and linear elastic 8-nodes brick elements were used to represent the foam layer of the brace. The soft tissues were represented under the foam layer by 8-nodes linear elastic brick elements. The mechanical properties of the brace and of the soft tissues were chosen from the literature.

To biomechanically model the brace-torso interface, point-surface contact elements were used. The choice of the appropriate element type was done following a simulation study made on two testing benches. This study revealed that the point- surface contact elements give more precise results (2% error) than surface-surface contact elements (15% error) and a smaller converging Temps (2.2 s vs 7.5 s).

The simulation of the brace treatment was performed in three steps. From the geometry of the brace built on the patient, a simulation was performed to obtain the initial shape of the brace in conditions prevalent before its fitting on the patient. The opening of the brace was simulated by imposing displacements on the strap fixations until the patient's trunk was entirely included in the brace. Contact elements were then inserted in the model. The simulation of the closing of the brace was done by tightening the straps around the patient. The simulations were iteratively done, by increments of displacements and deformations, in order to take in account the geometric non-linearities of the system associated with the large displacements and with the variations of the contact status of the system. The brace closed by more than 85% and 46 contact elements were activated during the brace closing.

The deformed geometry of the spine was then compared with the 3D radiographs of the patient (in his brace) with the help of geometric parameters. A comparison of the results of the present model was also done with a simulation using forces calculated from the pressure sensors of the matrix that was placed under the brace. The results of the simulations of the present model are in adequation with the 3D reconstruction parameters of the in brace patient and indicate a progressive correction of the spine that follows the correction principles of a brace. The results are better than those obtained with the forces model, particularly in the coronal plane and in axial rotation. But an under-correction of the rib hump and of the Cobb angle has been observed between the simulation and with the experimental measurements.

The results indicate the faisability of this modeling approach which is considered to be an improvement over previous biomechanical models used for bracing simulations. Also, this new model represents more realistically the load transfer from the brace to the spine than the direct application of forces on the trunk. But these results suggest that other mechanisms than brace pads, such as muscles and intra-abdominal pressure, could play an important role in the correction of the spine. This modeling approach represents a bench test for future designs of orthesis. Once completely validated on more cases, such a model could be used to predict the effect of a brace before fabrication.