La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique qui se manifeste généralement à l'adolescence lors de la période de croissance. Les traitements chirurgicaux actuels par abord antérieur permettent de corriger cette déformation à l'aide d'une instrumentation et d'une arthrodèse. La chirurgie étudiée dans ce travail utilise une nouvelle approche, moins effractive, soit l'endoscopie. L'instrumentation antérieure permet aussi de réduire le nombre de niveaux instrumentés, assurant ainsi une plus grande mobilité finale au rachis. Cette approche nécessite toutefois l'enlèvement des disques intervertébraux et la fusion osseuse du rachis pour la correction. L'impact biomécanique de la configuration des paramètres de l'instrumentation chirurgicale antérieure sur la raideur finale du rachis, en conditions post-opératoires, est difficile à évaluer par le chirurgien orthopédiste en planning pré- opératoire. Les choix actuels s'effectuent sur des bases empiriques, d'expérience et de considérations biomécaniques de base. Ce projet vise donc à évaluer les paramètres biomécaniques de l'instrumentation chirurgicale antérieure, en condition postopératoire, dans le but de recommander des configurations d'instrumentation aux chirurgiens.

Un montage expérimental permettant la mesure de la raideur et des couplages d'un modèle rachidien instrumenté et soumis à des chargements de 8 N.m. en flexion, torsion et inflexion latérale a été développé. Les modèles rachidiens incorporaient les principales propriétés mécaniques et géométriques de vertèbres humaines. Ils étaient constitués d'un empilement de cylindres composés de deux matériaux représentant les os cortical et spongieux. Huit différents montages ont été testés en suivant un plan d'expérimentation Box, Hunter et Hunter afin d'évaluer l'effet de 4 paramètres :​ le diamètre (5.5 - 7.5 mm) et l'angle (0° - 22.5°) des vis (CD Horizon Eclipse), la prise des vis sur l'os (mono bi corticale) et le nombre de niveaux instrumentés (5 - 8). Les conditions postopératoires ont été représentées par l'application d'une charge simulant le demi-poids corporel d'un adolescent ainsi que par l'utilisation de greffon synthétique non fusionné remplissant les espaces discaux.

Les tests ont montré des comportements non linéaires avec rigidification graduelle lors du chargement. Des comportements similaires en couplage sont présents en flexion et en inflexion latérale mais non en torsion. En charge maximale, les moyennes des raideurs finales sont plus grandes en flexion (0.92 Nm/degré) qu'en inflexion latérale (0.56 Nm/degré) et qu'en torsion (0.26 Nm/degré). Des effets d'augmentation de la raideur initiale causés par le tassage du greffon ont aussi été observés.

L'angle des vis est le paramètre étudié ayant le plus d'impact sur la raideur finale. L'analyse statistique ANOVA montre que l'angle des vis de 22.5 degrés, pour un chargement en flexion, a un effet significatif (p <0.05) sur l'augmentation de la raideur finale. Un angle des vis coronal (0 degré) pour un chargement en inflexion latérale présente le même effet significatif. Cependant, il est 1.6 fois plus important en flexion qu'en inflexion latérale. Pour la raideur initiale, en chargement en flexion et en inflexion latérale, le paramètre le plus significatif est la prise de la vis bicorticale sur l'os. Enfin, le nombre de niveaux instrumentés est un paramètre influencé principalement par les mouvements en torsion.

Des modèles mathématiques représentant le comportement de la raideur d'un modèle rachidien instrumenté ont été obtenus. Ils ont permis d'identifier des configurations d'instrumentation selon deux critères d'optimisation :​ 1) des raideurs (initiales et finales) maximales et 2) un couplage minimal. Selon ces deux critères d'optimisation et pour une variation de l'angle des vis de 22.5 degrés à coronal, une diminution globale de 13% de la raideur finale, combinant les trois cas de chargement, est notée pour une diminution globale du couplage de 40%.

Les modèles rachidiens employés, représentant des vertèbres saines d'adolescents, ont permis de cerner les effets des quatre paramètres étudiés. L'absence d'une cyphose thoracique et d'une courbure scoliotique sur le modèle rachidien n'a eu aucun impact significatif sur les résultats. De même pour l'absence de facettes articulaires et de muscles. La recherche de configurations d'instrumentation a permis de montrer l'importance individuelle des paramètres étudiés et des variables de réponse choisies comme critère d'optimisation. La comparaison avec des études employant des rachis cadavériques humains et bovins tend à confirmer la validité des modèles rachidiens synthétiques employés. Des études comparatives avec les données publiées et l'étude des erreurs expérimentales, de l'effet des conditions limites et de l'effet de la configuration de la précharge ont permis de valider les résultats.

Cette étude a permis de caractériser l'effet de quatre paramètres biomécaniques de l'instrumentation chirurgicale antérieure du rachis scoliotique, dont l'angle des vis qui est le paramètre ayant le plus d'impact sur la raideur. Cette étude expérimentale pourrait permettre, à l'aide des modèles mathématiques obtenus, de guider les chirurgiens lors du planning préopératoire quant à la configuration des montages d'instrumentation du rachis scoliotique.

Idiopathic scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine and rib cage generally appearing during the adolescent growth period. Actual anterior surgical treatments, including arthrodesis, allow the correction of this deformity. The surgery by endoscopy studied in this thesis uses a novel less invasive approach. Anterior instrumentation also allows the reduction of instrumented levels, increasing the final spine mobility. However, within this approach, intervertebral disks need to be removed and arthrodesis to be performed. The biomechanical impact of the surgical instrumentation configuration in post-operative conditions is hard to evaluate by the surgeons in pre-operative situation. Actual choices are made on empirical bases, experience and biomechanical considerations. Therefore, the goal of this project is to evaluate the biomechanical parameters of the anterior instrumentation, in post-operative conditions, to recommend instrumentation configurations to the surgeons.

An experimental setup allowing stiffness and coupling measurements of an instrumented spinal model loaded to 8 N.m. in flexion, torsion and lateral inflexion has been developed. Spinal model were incorporating mechanical and geometrical properties of human vertebras. There were made of stacked cylinders and composed of two materials simulating cortical and cancellous bone. Eight different setups have been tested following a Box, Hunter and Hunter experimental plan in order to evaluate four parameters:​ CD Horizon Eclipse screw diameter (5.5 - 7.5 mm) and angle (0° - 22.5°), bone grip of the screw (mono - bi cortical) and the amount of instrumented levels (5-8). Post-operative conditions have been represented with a follower load simulating one half of a typical adolescent weight and by the use of synthetic graft filling the disk rooms.

Tests have shown non-linear behaviors with stiffness gradually increasing. Similar coupling behaviors have been identified in flexion and lateral inflexion but not in torsion loading. At the maximum load state, average final stiffness is greater in flexion (0.92 N.m./degree) than in lateral inflexion (0.56 N.m./degree) and than in torsion (0.26 N.m./degree). Increasing initial stiffness caused by the compacting of the graft has been observed.

The screw angle parameter is the one influencing the most the final stiffness. ANOVA statistical analysis indicates that, for a 22.5 degrees screw angle and a flexion loading case, this parameter has a significant (p <0.05) effect on increasing the final stiffness. A coronal screw angle (0 degree) for a lateral inflexion loading case shows the same significant effect. However, it is 1.6 times more important in flexion than in lateral inflexion. For the initial stiffness and for flexion and lateral inflexion loading cases, the most significant parameter is the bi-cortical bone grip of the screw. Finally, the number of instrumented levels is a parameter that mainly influences the axial rotation.

Mathematical models representing the behavior of an instrumented spinal model have been obtained. There were used to identify instrumentation configurations based on two optimization criteria:​ 1) maximum stiffness (initial and final) and 2) minimum coupling. Based on these two criteria and for a variation of the angle of the screw from 22.5 degrees to coronal (0 degrees), a global final stiffness diminution of 13%, combining the three loading cases, has been identified for a global coupling diminution of 40%.

The spinal models used have permitted to outline the effects of the four studied parameters. The absence of a thoracic kyphosis and of a scoliotic curvature didn't impact significantly the results. So on for the absence of facet joints and of muscles. The search for instrumentation configurations has shown the importance of every single parameter and variables used as optimization criteria. The comparison with studies using human and calf cadaver spines suggests that the synthetic spine models used are valid. Comparative studies with published data and the study of the experimental errors, of the boundary conditions and of the pre-load configuration effects have validated the results.

This study has permitted the characterization of four biomechanical parameters of the anterior surgical instrumentation, including the screw angle which is the most significant. This experimental study could guide surgeons, using the mathematical models obtained, during the pre-operative planning regarding the configurations of scoliotic spine instrumentation.