La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle (3D) complexe de la colonne vertébrale et de la cage thoracique qui, dans les cas les plus sévères, est traitée par instrumentation et fusion osseuse du segment rachidien déformé. En présence d'une importante proéminence des côtes (gibbosité), l'option de thoracoplastie, une intervention chirurgicale cosmétique qui consiste à réséquer des segments de côtes, est considérée. Il est généralement reconnu que la scoliose progresse par un processus biomécanique autoentretenu dû au débalancement des charges appliquées sur la colonne vertébrale qui modulent la croissance des structures osseuses. Certains auteurs ont donc proposé que des interventions chirurgicales sur les côtes (résection, raccourcissement ou élongation) pourraient rétablir l'équilibre des forces transmises à la colonne vertébrale, et ainsi renverser ou ralentir la progression des déformations scoliotiques. Ces concepts chirurgicaux novateurs ont été testés dans des études expérimentales sur des animaux et dans quelques études cliniques. Ces chirurgies costales demeurent néanmoins des procédures très empiriques pour lesquelles il y a un grand nombre de variables à contrôler. Une étude biomécanique a été entreprise afin de clarifier les mécanismes d'action des raccourcissements et des élongations de côtes et pour investiguer l'influence des paramètres de l'intervention.

Ce présent projet fait suite à cette étude. Il comporte deux volets principaux dont le premier porte sur l'effet immédiat des chirurgies costales. Ce premier volet vise à développer une méthodologie permettant d'examiner plus en profondeur l'influence des paramètres de l'intervention et d'identifier les paramètres maximisant la correction des déformations scoliotiques. Le second volet du projet vise à développer une modélisation biomécanique permettant de simuler l'effet à long terme de ces procédures chirurgicales. Ainsi, la croissance et la modulation de la croissance des côtes et des vertèbres par les charges résultant de l'intervention chirurgicale doivent être modélisées.

Le modèle par éléments finis du tronc et la modélisation de raccourcissements et d'élongations de côtes développés conjointement à l'Hôpital Sainte-Justine et à l'École Polytechnique de Montréal ont été utilisés. La géométrie du tronc a été personnalisée, à l'aide d'une technique de reconstruction 3D développée à ces mêmes institutions, pour 6 patients présentant différents patrons de déformation. Les modèles construits ont été utilisés dans l'ensemble du projet.

Dans la première étape du projet, la simulation de chirurgies costales a été utilisée évaluer leur effet immédiat. Pour examiner l'influence des paramètres de l'intervention pour identifier les configurations optimales, des fonctions objectifs ont servi à caractériser la correction associée à différents éléments de la déformation (géométriques) et à caractériser le potentiel de correction à long terme selon les charges transmises aux plateaux vertébraux (mécanique). Étant donné que les processus d'optimisation dans le contexte des modèles par éléments finis impliquent des temps de calcul élevés, une approche basée sur les plans d'expériences et les modèles d'approximation (technique d'interpolation) a été développée.

Dans la seconde partie du projet, une modélisation de la croissance et de la modulation de cette croissance basée sur des travaux antérieurs a été intégrée à la simulation de chirurgies costales. De plus, une modélisation de la relaxation de contraintes des ligaments a été développée afin de mieux représenter l'évolution dans le temps des charges induites par l'intervention. Ainsi, la modélisation biomécanique a permis de simuler l'effet des charges induites sur la croissance des structures osseuses, et donc l'évolution de la géométrie du tronc sur une période de 24 mois. Des simulations ont été effectuées avec les paramètres d'intervention optimaux identifiés pour les différentes fonctions objectifs dans la première étape du projet.

L'étude d'influence et d'optimisation des paramètres de l'intervention a démontré que les chirurgies costales entraînent généralement que de faibles modifications géométriques immédiates, mais que les fonctions objectifs géométriques varient tout de même en fonction des paramètres et du patient. Les variations étaient principalement dues aux changements au niveau de la gibbosité et de la rotation axiale des vertèbres. Un comportement très variable a également été observé pour la fonction objectif mécanique. Selon les paramètres de l'intervention, les charges induites sur les plateaux vertébraux pourraient accentuer ou agir contre la progression des déformations scoliotiques. Les interventions les plus susceptibles d'être bénéfiques à long terme sont les élongations sur la convexité de la courbure et les raccourcissements sur la concavité. L'étude a démontré qu'il n'existe pas de paramètres optimaux communs à l'ensemble des patients. Par contre, une étude incluant un plus grand nombre de sujets pourrait permettre de vérifier les tendances observées quant à l'existence de paramètres communs pour des types de déformation donnés.

Avec la modélisation biomécanique développée dans la seconde partie du projet, le potentiel de correction à long terme des interventions identifiées avec la fonction objectif mécanique a été confirmé. Pour les patients avec une courbure thoracique, une diminution additionnelle de l'amplitude de celle-ci a été observée. Une réduction des courbures scoliotiques a également été observée pour les interventions identifiées avec la fonction objectif géométrique mettant l'accent sur cet élément de la déformation. Cependant, une détérioration à long terme de la gibbosité à l'apex et de la rotation axiale de la vertèbre apicale a été constatée dans la majorité des simulations testées, et cela malgré que certaines interventions aient entraîné une correction initiale de ces déformations.

La faisabilité et la cohérence des outils développés ont été démontrées. Cependant, ceux-ci comportent des limites. En ce qui concerne la méthodologie développée pour l'étude d'influence et d'optimisation des paramètres d'intervention, la principale limite réside au niveau de la précision des modèles d'approximation. Dans le second volet du projet, la principale limite de la modélisation développée est qu'elle permet seulement d'examiner la contribution des charges induites par la chirurgie costale. En effet, les charges résultant de la gravité et des forces musculaires n'ont pas été considérées. Une des principales difficultés rencontrées a été le manque de données sur lesquelles baser la modélisation. Ainsi, des études expérimentales devront être menées afin d'ajuster plus adéquatement les paramètres de modélisation, puis éventuellement de raffiner celle-ci.

Les outils développés ont permis d'investiguer l'effet immédiat et à long terme de concepts chirurgicaux novateurs qui ne peuvent autrement pas être testés directement sur des patients pour des raisons d'éthique évidentes. D'ailleurs, la difficulté de valider la modélisation biomécanique demeure la principale limite du projet. Des efforts devront donc être déployés avant de pouvoir l'utiliser comme outil de prédiction. À ce stade, les outils développés pourront être utilisés pour guider des études expérimentales sur des animaux permettant de valider les concepts de modélisation des chirurgies costales. Les raffinements futurs pourraient mener au développement de nouvelles voies de traitements pour les patients scoliotiques en période de croissance.

Idiopathic scoliosis is a complex three-dimensional (3D) deformity of the spine and the rib cage. In the case of a severe spinal curve, patients are generally treated by surgical instrumentation and fusion of the deformed spine segment. In front of significant rib cage deformity (rib hump), thoracoplasty, a cosmetic surgery that consists to resect rib segments, is an option. It is generally accepted that scoliosis progresses by a self- sustained biomechanical cycle due to unbalanced loading of the spine, which alters bone growth. Hence, some authors proposed that rib surgeries (resection, shortening or lengthening) could reestablish the force balance transmitted to the spine, and consequently reverse or slow down scoliotic deformation progression. These innovative surgical concepts were tested in experimental studies on animals and in a few clinical studies. However, these rib surgeries remain empirical procedures for which a large number of variables needs to be controlled. A biomechanical study was achieved in order to clarify the action mechanisms of the rib surgeries and to explore the influence of the surgery parameters.

The present project is a continuation of this study. It encloses two main parts with the first one concerned by the immediate effect of rib surgeries. This part aims at developing a method to examine more thoroughly the influence of the surgery parameters and to identify the parameters maximizing the correction of the scoliotic deformities. The second part of the project aims at developing a biomechanical modeling that will enable to simulate the long-term effect of rib surgeries. Consequently, bone growth and growth modulation by load resulting from the surgery must be represented in the model.

The finite element model of the trunk and the modeling of rib shortening and lengthening developed jointly at Ste-Justine Hospital and École Polytechnique de Montréal have been used. The trunk geometry has been personalized by a three-dimensional reconstruction technique developed at the same institutions. Hence, personalized model were build for 6 patients presenting different patterns of trunk deformation and were used for the whole project.

In the first part of the project, the rib surgery simulation was employed to evaluate their immediate effect. To examine the rib surgery parameters influence and to identify the optimal configurations, objective functions were used to characterize the correction associated with different elements of the deformation (geometric) and to characterize the potential of long-term correction based on the loads transmitted to the vertebral end- plates (mechanical). Since optimization problems in the context of finite element modeling involve high computational costs, an approach based on experimental designs and approximation models (interpolation technique) was developed.

In the second part of the project, a modeling of bone growth and growth modulation based on previous works was integrated to the rib shortening or lengthening simulation. Further more, a modeling of the ligaments stress relaxation was developed to represent more adequately the evolution in time of the loads induced by the rib surgery. Hence, the biomechanical modeling permitted to simulate the effect of the loads induced on bone growth in length and consequently, the evolution of the trunk geometry on a 24 month period. Simulations were achieved with the optimal parameters identified for the different objective functions in the first part of the project.

The study of influence and optimization of the surgery parameters demonstrated that rib surgeries produce generally slight immediate geometric modifications, but that the geometric objective functions still vary greatly according to the parameters and the patient. The deformation elements mainly responsible for this variation were the rib hump and the axial rotation of vertebrae. A variable behavior was also observed for the mechanical objective function. According to the surgery parameters, the loads induced on the vertebral end-plates could enhance or act against the progression of the scoliotic deformities. The surgeries that presented the most potential were rib lengthening on the convexity of the spinal curve or rib shortening on the concavity. The study showed that no optimal parameters common to all patients exist. However, a future study including more subjects could confirm the trends observed and could allow identifying common parameters for given types of deformation.

With the biomechanical modeling developed in the second part of the project, the potential of long-term correction was confirmed. For patients with a thoracic spinal curve, a further decrease of the curve magnitude was observed. A decrease of the scoliotic curves was also observed for surgery identified with the geometric objective function according more importance to this aspect of the deformation. However, a long- term worsening of the rib hump and vertebral axial rotation at the apex was noticed in the majority of the tested simulations, even though some of the interventions produced initial correction of these deformations.

The feasibility and the coherence of the developed tools were demonstrated. However, they present some limits. The major limit of the method developed for the study of influence and optimization of the rib surgery parameters lies at the level of the approximation model accuracy. In the second part of the project, the main limit of the developed modeling is that it only allows examining the contribution of the loads induced by the rib surgery. Loads resulting from gravity and muscle forces were not taken into account. One of the major difficulties encountered in this project was the lack of data on which the modeling could be based. Therefore, experimental studies will have to be undertaken in order to adjust more adequately the modeling parameters and eventually, to improve the modeling.

The developed tools allowed investigating the immediate and long-term effects of innovative surgical concepts that can not be tested on patients for evident ethical reasons. The difficulty to validate the biomechanical modeling remains the major limit of the project. Efforts will have to be undertaken before using the modeling has a prediction tool. Presently, the developed tools could be used to guide experimental studies on animals aiming at validating the modeling concepts of rib shortening or lengthening simulation. The future improvements could lead to the development of new directions for the treatment of scoliotic patients in the growth period.