La scoliose neuromusculaire est une déformation de la colonne vertébrale souvent associée à une déformation et une inclinaison du bassin. Dans les cas sévères, le traitement favorisé consiste en une chirurgie d’instrumentation du rachis et du bassin permettant de redresser la colonne vertébrale et de freiner la progression de la déformation. Une longue instrumentation sur plusieurs niveaux vertébraux avec fixation sur les os iliaques permet d’ancrer la structure et de faciliter la correction de l’inclinaison pelvienne. Toutefois, ces fixations iliaques sont soumises à de grandes charges générées pendant et après l’opération pouvant causer des complications. Plusieurs types de fixation iliaque ont été développés, mais la technique actuellement favorisée par les chirurgiens est l’utilisation de vis iliaques. Les vis iliaques sont considérées comme une alternative plus simple et plus sécuritaire que les tiges Galveston anciennement considérées comme le standard des fixations iliaques. Malgré tout, certains risques de défaillance demeurent. En effet, des complications directement reliées à l’utilisation de vis iliaques, telles que le désengagement des tiges et le retrait des vis, ont été observées. Les grands efforts générés sur ces implants sont certainement une cause de ces complications. Certains paramètres de la chirurgie d’instrumentation avec vis iliaques, tels que le point d’insertion, le diamètre, la longueur des vis, l’utilisation de vis sacrées et de connecteurs latéraux et transversaux, sont variables et peuvent influencer les efforts générés aux vis. L’influence de certains de ces paramètres a été évaluée à travers différentes études sur des bassins cadavériques ou synthétiques. Toutefois, ces études ne permettent pas d’évaluer l’influence combinée de plusieurs paramètres sur un même patient.

L’objectif général de ce projet est donc d’analyser la biomécanique d’instrumentation avec vis iliaques pour la correction de la scoliose afin d’améliorer les stratégies d’instrumentation pour minimiser les efforts sur les vis et le bassin, ce qui permettrait de réduire les risques de complications associées à la défaillance de l’implantation de vis iliaques.

Dans un premier temps, une technique de modélisation numérique multi-corps 3D a été développée et ensuite utilisée pour créer des modèles biomécaniques du rachis personnalisés à partir des radiographies de six patients atteints d’une scoliose neuromusculaire corrigée par une instrumentation allant jusqu'au bassin. Les propriétés mécaniques du rachis ont été tirées de la littérature et personnalisées à partir du test d’inflexion latérale. Les composants des implants ont été modélisés comme des corps rigides reliés par des liaisons cinématiques et les tiges comme des poutres flexibles. Les manœuvres chirurgicales ont été modélisées et simulées afin de reproduire la chirurgie pour les six cas. Les efforts aux vis iliaques ont pu être évalués tout au long de la simulation des manœuvres. Puis, les forces de gravité dans l’axe longitudinal ont été appliquées et des mouvements fonctionnels ont été simulés afin d’évaluer les efforts générés aux vis après la chirurgie.

Dans un second temps, quatre paramètres d’instrumentation ont été étudiés en effectuant des simulations suivant un plan d’expériences pour déterminer leur influence sur les efforts générés aux vis iliaques :​ le point d’insertion des vis iliaques (sur les crêtes iliaques ou à partir de S2), l’ajout d’un connecteur transversal, de connecteurs latéraux et de vis sacrées. Un total de 16 configurations d’implants a été simulé pour chacun des six cas. L’exécution de six mouvements fonctionnels a été simulée pour chacune des stratégies d’instrumentation. Une analyse statistique a ensuite été réalisée afin d’évaluer l’influence de ces paramètres sur les efforts générés aux vis iliaques.

La différence entre les reconstructions postopératoires et les simulations des manœuvres de chirurgies pour les six cas était inférieure à 3° pour les angles de Cobb et inférieurs à 4° pour les angles de la courbure sagittale. Le modèle a donc permis de reproduire la chirurgie des six cas de manière adéquate, car l’ordre d’erreurs était cliniquement négligeable. La simulation des mouvements fonctionnels a aussi permis de constater que les mouvements effectués après la chirurgie avaient un impact sur les efforts générés aux vis iliaques.

L’analyse de l’influence des variables d’instrumentation sur les efforts générés aux vis a permis de constater que les vis sacrées, les connecteurs latéraux et le point d’insertion des vis iliaques avaient une influence statistiquement significative sur les efforts générés aux vis. Les configurations sans vis sacrées ont généré en moyenne 19 % à 23 % moins de forces axiales pendant la simulation des manœuvres de chirurgie. Lors de la simulation des mouvements fonctionnels, les vis sacrées peuvent, d’une part, répartir les chargements entre les vis et ainsi réduire les efforts subis par les vis iliaques. D’autre part, les vis sacrées peuvent agir comme pivot et agrandir le bras de levier aux vis iliaques entrainant ainsi une augmentation des efforts aux vis dans la simulation de certains mouvements fonctionnels. L’utilisation de vis sacrées doit donc être planifiée avec précaution. Les configurations sans connecteurs latéraux ont, quant à elles, généré en moyenne 16 % à 25 % moins de moments aux vis. Les connecteurs latéraux sont à éviter étant donné qu’ils agissent en tant que bras de levier sur les vis iliaques et entrainent ainsi un surchargement des vis. Il a aussi été possible de réduire les efforts en insérant les vis iliaques à partir du sacrum au lieu de les insérer de manière standard à partir des crêtes iliaques. En effet, un bon alignement des vis dans la région lombosacrée par rapport à la forme des tiges a permis de faciliter l’insertion des tiges et donc de réduire les efforts générés par cette manœuvre. Les connecteurs transversaux n’ont pas eu d’influence statistiquement significative sur les efforts générés aux vis durant l’instrumentation. Par contre, étant donné qu’ils créent une structure en treillis avec les vis iliaques ils peuvent permettre de distribuer les charges et ainsi de diminuer les risques de complications.

Cette étude numérique visait à analyser la biomécanique d’instrumentation de correction de la scoliose avec vis iliaques. L’étude a permis d’apporter de nouvelles connaissances permettant d’améliorer les stratégies d’instrumentations en minimisant les efforts sur les vis iliaques. Afin de répondre aux objectifs du projet, un modèle permettant de reproduire la chirurgie d’instrumentation avec vis iliaques spécifiques pour six patients a été développé, l’influence de variables d’instrumentations et de mouvements postopératoires sur les efforts générés aux vis a été évaluée et des stratégies visant à minimiser les efforts aux vis iliaques ont été suggérées. Afin d’accroitre les connaissances sur ce sujet, il serait possible d’évaluer l’influence d’autres variables d’instrumentation à partir du modèle développé et de modèles plus détaillés. Il serait aussi intéressant d’étudier l’impact biomécanique du type de courbure scoliotique et de la flexibilité du tronc sur un nombre plus important de patients.

Neuromuscular scoliosis is a deformity of the spine frequently associated with pelvic inclination and deformation. In severe cases, the preferred treatment involves spinal surgery and pelvis instrumentation to straighten the spine and stop the progression of the deformity. Pelvic fixation attached to a long spinal instrumentation is used as an anchor facilitating the correction of the pelvic inclination. However, the iliac fixation is subject to large biomechanical loads generated both during and following surgery. Consequently, failures in spinopelvic instrumentations have been reported and several types of iliac fixation have been developed. Currently the preferred technique is the use of iliac screws, which are considered safer and simpler than the standard Galveston technique. However, some complications directly related to the use of iliac screws, such as rod disengagement and screw loosening, have been observed. Loads generated on implants are certainly an important cause of fixation failure. Some instrumentation factors, such as the insertion point, the diameter and the length of the screws, the use of sacral screws, lateral connectors and cross-rod connectors, can influence the loads generated on iliac screws. The influence of some of these parameters was evaluated through experimental studies. However, none of these studies analyzed the combined influence of several variables for the same patient.

The overall objective of this project was to biomechanically analyze scoliotic instrumentation in combination with iliac screws to improve instrumentation strategies and minimize loads generated on both the screws and pelvis. Thus, reducing the risk of complications associated with iliac screw related failures.

First, a 3D flexible multi-body modeling technique was developed to biomechanically create patient-specific models of six patients with neuromuscular scoliosis corrected with instrumentation including iliac screws. The spinopelvic mechanical properties were defined using data reported in the literature and personalized to each patient via lateral bending tests. Implant components were modeled as rigid bodies connected by kinematic joints and rods were modeled as flexible beams. Surgical maneuvers were modeled and simulated to reproduce surgery for the six cases. Loads generated on iliac screws were evaluated throughout the simulations. The gravitational forces along the longitudinal axis were applied and functional loadings were simulated in order to evaluate the loads generated on the screws following surgery.

Second, the effects of four instrumentation variables were investigated by performing simulations following a design of experiment (DOE) approach to determine their influence on the forces generated on iliac screws:​ the combined use of sacral screws, lateral connectors and cross-rod connectors, and the iliac screw insertion point and trajectory. A total of 16 implant configurations were simulated for each of the six cases. Six functional loadings were simulated for each instrumentation strategy. A statistical analysis was then performed to evaluate the influence of these parameters on the loads generated on iliac screws.

The difference between the simulations and geometrical clinical indices of the reconstructed postoperative radiographs of the six cases was less than 3° for the Cobb angles and less than 4° for the sagittal curves. Considering the difference was below the clinically accepted measurement variability, the model was able to adequately reproduce the surgery of the six cases. Simulation of functional loadings showed that movements following surgery had an influence on the loads generated on iliac screws.

The variability of loads generated on iliac screws among the simulations of different configurations was highly significant. Sacral screws, lateral connectors and the insertion point of the screws had a statistically significant effect on the loads generated on iliac screws. In the case when no sacral screws were used the pullout forces were, on average, 19% to 23% lower when simulating surgical manoeuvers. The addition of sacral screws changed the loading pattern in the sacropelvic region. Making the iliac screw forces lower for some functional loads by distributing the load on additional screws, but higher for other functional loads by acting as a fulcrum increasing the lever arm on the iliac screws. Therefore, the use of sacral screws must be carefully considered and planned. In the case when a lateral connector was used the toggle moments were 16% and 25% higher, respectively for the left and right sides. Lateral connectors should be avoided as they act as a lever arm, whereby increasing the loads on the iliac screws. Lower iliac screw loads may also be achieved through an optimized sacral screw position and iliac screw insertion point in the sacrum, which may facilitate to some extent the seating of the rod. In comparison to a standard insertion point from the iliac crest, the insertion point of iliac screws from the sacrum resulted in reduced loads. Cross-rod connectors had no statistically significant influence on the intraoperative iliac screw forces. However, they created a closed structure from one side of the pelvis to the other allowing for the distribution of loads;​ therefore, helping to prevent catastrophic failure in certain situations.

The aim of this numerical study was to analyze the biomechanics of scoliotic instrumentation including iliac screws. The study provides new knowledge to improve instrumentation strategies and minimize loads on iliac screws. To meet the objectives of the project, a model reproducing the specific instrumentation of six neuromuscular patients was developed. The influence of instrumentation variables and postoperative functional loadings on the loads generated on iliac screws were assessed and strategies for minimizing the loads were suggested. In order to increase knowledge on this subject, one may assess the influence of other instrumentation variables using both the developed model and more detailed models. The study of the biomechanical impact of scoliosis curvature type and trunk flexibility on a larger number of cases may also be interesting to explore.