La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle à la fois de la colonne vertébrale mais également de la cage thoracique. Le recours à une instrumentation du rachis intervient dans les cas les plus sévères de scoliose afin de redresser les courbures du rachis. La fixation d'implants sur le rachis et la pose de tiges le long de ce dernier sont les principales étapes de cette chirurgie. Les corrections du rachis et de la cage thoracique à l'issue d'une instrumentation Cotrel-Dubousset Horizon ne peuvent pas être encore prédites de façon fiable. L'objectif global de ce projet était donc de développer et valider un modèle de la cage thoracique qui serait ensuite ajouté au modèle existant du rachis (Luce, 2004) afin de simuler une chirurgie d'instrumentation du rachis. Les objectifs spécifiques consistaient à développer et valider un modèle à partir de données expérimentales disponibles, à réaliser une étude de sensibilité des conditions limites du modèle, étudier l'influence de l'instrumentation sur la cage thoracique et réciproquement, l'influence de la cage thoracique sur une instrumentation du rachis et enfin, analyser l'effet d'une costoplastie sur la cage thoracique et la colonne vertébrale instrumentée. Une première hypothèse selon laquelle la cage thoracique joue un rôle important dans le comportement du rachis et augmente sa rigidité lors d'une chirurgie a été testée. La seconde hypothèse suggère que l'instrumentation du rachis permet de corriger significativement la déformation de la cage thoracique. La troisième hypothèse suppose que l'ajout de conditions limites sur la cage thoracique améliore la précision des résultats de la simulation de l'instrumentation chirurgicale du rachis.

La géométrie du modèle du thorax a été personnalisée au patient à partir de reconstructions multi-vues radiographiques. La modélisation de la cage thoracique a été réalisée selon l'approche par multi-corps flexibles. Les côtes ont été modélisées par une succession de N éléments flexibles pour chaque côte. Les ligaments intercostaux ont été modélisés par des ressorts qui se croisaient entre chaque niveau costal. Chaque cartilage costal a été modélisé par 2 éléments « poutre ». Les articulations costo-vertébrales ont été modélisées par des matrices générales, dénommées « Field » dans la nomenclature du logiciel ADAMS. Les propriétés mécaniques des articulations costo-vertébrales, des cartilages costaux, des ligaments intercostaux et des côtes ont été tirées de la littérature. Une première étape de validation a consisté en une comparaison entre des données expérimentales tirées de la littérature et des résultats de simulations de compressions sternale et latérales sur le modèle de la cage thoracique. Les résultats des simulations des tests d'inflexion latérale, flexion, extension et torsion du rachis à partir de différentes configurations du thorax ont été comparés avec les résultats d'Andriacchi (1974) afin de montrer l'effet rigidificateur de la cage thoracique sur le comportement du rachis. Enfin, la dernière étape de validation était de simuler 6 cas de chirurgie d'instrumentation Cotrel-Dubousset Horizon et de les comparer avec les chirurgies réelles. Les simulations réalisées avec et sans cage thoracique permettent d'évaluer son influence. Des études de sensibilité ont été menées sur les paramètres de simulation tels que les conditions limites, l'orientation des implants et la forme des tiges. La personnalisation des propriétés mécaniques du rachis, la costoplastie et l'application d'une force sur la cage thoracique durant la dérotation de la première tige ont également fait l'étude de travaux dans ce projet.

Les comparaisons entre le présent modèle et les modèles de Andriacchi (1974), Closkey (1992) et Aubin (1995) ainsi qu'avec les données expérimentales de Patrick (1965), Agostoni (1966) et Nahum (1970) montrent des résultats semblables quant au comportement de la cage thoracique suite à des compressions sternales et latérales. Le travail réalisé sur les différentes configurations du thorax a montré que la cage thoracique rigidifiait le rachis de 43% en inflexion latérale, 35% en flexion/extension et 37% en torsion. La combinaison des ligaments intercostaux et du sternum est la principale responsable de cet effet rigidificateur. La condition limite donnant les meilleurs résultats pour les corrections du rachis et de la cage thoracique suite à une instrumentation Cotrel-Dubousset Horizon a été celle bloquant les translations dans le plan transverse de la vertèbre supérieure, laissant libre les rotations dans les plans sagittal et frontal de la vertèbre inférieure et bloquant les translations des segments les plus antérieurs des côtes. La présence de la cage thoracique a provoqué une différence de correction du rachis d'environ 15% dans le plan frontal par rapport à la simulation avec le modèle du rachis seul. Aucune différence significative n'est apparue dans les corrections des courbures sagittales du rachis. Le nombre limité de cas de chirurgie et les problèmes de reconstruction géométrique de la cage thoracique n'ont pas permis de conclure quant à la diminution de la gibbosité suite à une instrumentation Cotrel- Dubousset Horizon. Concernant les efforts générés dans les liaisons implant-vertèbre, ils sont en moyenne de 460N pour le modèle complet. Dépendamment des patients, la cage thoracique provoque une augmentation de ces efforts. Les études de sensibilité des paramètres de simulation ont montré que le modèle de la cage thoracique était beaucoup plus sensible aux variations de ces paramètres que ne l'était le modèle du rachis seul. L'effet d'une costoplastie s'est fait ressentir à la fois sur la correction du rachis où une diminution de l'angle de Cobb d'environ 10% a été constatée mais aussi sur la gibbosité où celle-ci a diminué de 14% à l'apex de la courbure. Enfin, une augmentation de 21% de la gibbosité a été observée suite au retrait de la force appliquée sur la gibbosité durant la chirurgie.

La première hypothèse a ainsi été vérifiée. Concernant la seconde hypothèse, le travail réalisé ne permet pas de confirmer la correction significative de la déformation de la cage thoracique suite à une instrumentation du rachis. Cette hypothèse reste encore à approfondir même si les études les plus récentes tendent à montrer qu'une instrumentation Cotrel-Dubousset Horizon diminuerait d'environ 25% la gibbosité. Finalement, la troisième hypothèse selon laquelle l'ajout de conditions limites sur la cage thoracique améliore la précision des résultats de la simulation de l'instrumentation chirurgicale du rachis est partiellement vérifiée. En effet, un compromis entre les corrections du rachis et de la cage thoracique peut être trouvé en contraignant la cage thoracique. Cette étude a contribué à une meilleure compréhension de l'influence de la cage thoracique sur le comportement du rachis mais aussi du rôle joué par la cage thoracique durant une instrumentation Cotrel-Dubousset Horizon.

Adolescent idiopathic scoliosis is a 3D deformation of the spine and the rib cage. The instrumentation of the spine is used in severe cases of scoliosis in order to straighten the curves of the spine. This surgery is composed by the fixation of several implants and the addition of rods. The corrections of the spine and the rib cage at the end of the CDH instrumentation can't be predicted in a reliable way. The global aim of this project was to develop and to validate a model of the rib cage which would be added on the existing model of the spine (Luce, 2004) in order to simulate the Cotrel-Dubousset Horizon instrumentation. The specific aims were the development and the validation of a model using available experimental data, a sensitivity study of boundary conditions of the model, a study of the effect of the instrumentation on the rib cage and reciprocally, the effect of the rib cage on an instrumentation of the spine and finally, an analysis of the effect of the costoplasty on the rib cage and the instrumented spine. A first hypothesis according to which the rib cage plays an important role in the behaviour of the spine and increases the stiffness during a surgery was tested. The second hypothesis suggests that the instrumentation of the spine can significantly correct the deformation of the rib cage. The third hypothesis supposes that the adding of boundary conditions on the rib cage improves the precision of the results in the simulation of the surgical instrumentation of the spine.

The geometry of the thorax model was personalized using multi-view radiographic reconstructions. The modeling of the rib cage was realized using multibody and flexible mechanisms. The ribs were modeled by a succession of N flexible elements for each rib. The intercostal ligaments were modeled by springs which cross between each costal level. Each costal cartilage was modeled by 2 "Beam" elements. The costo-vertebral articulations were modeled by 6*6 stiffness matrices corresponding to "Field" elements in the database of ADAMS. The mechanical properties of costo- vertebral articulations, costal cartilages, intercostal ligaments and ribs were taken from literature. The first step of the validation consisted in a comparison between experimental data and results of simulations of compressive loads to the sternum and lateral squeezing loads on the model of the rib cage. The results of the simulations of bending tests from different configurations of the thorax were compared with the results of Andriacchi (1974) in order to show the stiffening effect of the rib cage on the behaviour of the spine. Finally, the last step of the validation was to simulate 6 cases of Cotrel-Dubousset Horizon surgical instrumentations and to compare them with the real surgeries. The simulations with and without rib cage can also evaluate its influence. Sensitivity studies were realized on the parameters of simulation like the boundary conditions, the orientation of implants and the shape of the rods. The studies of the personalization of the mechanical properties of the spine, the costoplasty and the application of a force on the rib cage during the derotation of the first rod were made in this project.

The comparisons between the present model and the models of Andriacchi (1974), Closkey (1992) and Aubin (1995) and the experimental data of Patrick (1965), Agostoni (1966) and Nahum (1970) show similar results in the behaviour of the rib cage after the application of compressive loads on the sternum and lateral squeezing loads on the rib cage. The work realized on the different configurations of the thorax showed that the rib cage stiffened the spine of 43% in lateral bending, 35% in flexion/extension and 37% in axial rotation. The intercostal ligaments and the sternum were principally responsible of this stiffening effect. The boundary condition giving the best results for the corrections of the spine and the rib cage after a Cotrel-Dubousset Horizon instrumentation was the condition blocking the translations in the transverse plane of the superior vertebra, allowing the rotations in the frontal and sagittal planes and blocking the translations of the segments the most anterior of the ribs. The presence of the rib cage caused a difference of the correction of the spine about 15% in the frontal plane compared to the simulation with the model of the alone spine. No significant difference was appeared in the corrections of the curves in the sagittal plane. The limited number of the cases of surgery and the problems of the geometrical reconstruction of the rib cage didn't conclude to the diminution of the rib hump after a surgical instrumentation of the spine. Concerning the generated loads in the implant-vertebra links, the median is about 460N for the complete model. Dependently the patients, the rib cage increased these loads. Sensitivity studies of the parameters of the simulation showed that the model of the rib cage was more influenced by the variations of these parameters than the model of the alone spine. The effect of the costoplasty was detected on the correction of the spine where the Cobb angle decreased of 10% and on the rib hump which decreased of 14% at the apex of the curve. Finally, an augmentation of 21% of the rib hump appeared if the force on the ribs was deleted during the surgery.

The first hypothesis was verified. Concerning the second hypothesis, the realized work can't confirm the significant correction of the deformation of the rib cage after a surgical instrumentation of the spine. Future works are necessary even if the most recent studies show that a Cotrel-Dubousset Horizon instrumentation would decrease the rib hump about 25%. Finally, the third hypothesis according to which the adding of boundary conditions on the rib cage improves the precision of the results in the simulation of the surgical instrumentation of the spine is partially verified. Indeed, a compromise between the corrections of the spine and the rib cage can be found constraining the rib cage. This study contributed to a best understanding of the influence of the rib cage on the behaviour of the spine and of the role played by the rib cage during a Cotrel-Dubousset Horizon instrumentation.