Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine whose etiology is yet to be elucidated. The pathomechanism of scoliosis progression is believed to be linked to the Hueter-Volkmann principle, by which growth is reduced due to increased growth plate compression, with the inverse also valid. Treatment strategies are challenging, especially in young children. Curves progressing beyond 40° Cobb angle are typically treated via invasive surgical interventions requiring spinal instrumentation accompanied by segmental spinal arthrodesis, impairing spinal mobility.

New devices aim at manipulating vertebral growth by exploiting the Hueter-Volkmann principle to control curvature progression. These fusionless implants harness remaining vertebral growth by manipulating growth gradients to reverse vertebral wedging locally and, over time, globally realign the spine. Clinical trials have demonstrated promising deformity correction for curves generally below 45°;​ however, current devices bridge the intervertebral disc gap and predominantly compress the disc increasing the risks of long-term disc degeneration. Moreover, in a time-consuming manner, newly designed implants are commonly tested using equivalent animal models to assess their efficacy in correcting spinal deformities via the inverse (creation of a deformity) or the 2-step approaches (creation of a deformity followed by its subsequent correction). Nevertheless, a solid design platform is required to evaluate the short- and long-term growth manipulating efficacy of new implant designs and shorten knowledge transfer to clinical applications.

The general objective of this thesis was to develop and verify a unique porcine spine finite element model (pFEM) as an alternative testing platform for the simulation of progressive experimental scoliosis and fusionless implants, and assess a new localized dualepiphyseal implant on immature pigs. Thus, specific objectives were devised as follows:​ 1) develop and verify a distinctive pFEM of the spine and ribcage, 2) develop and test, in vivo, a dual-epiphyseal implant incorporating a custom expansion mechanism, 3) exploit the developed pFEM to investigate differences between the inverse and 2-step fusionless implant testing approaches, and 4) exploit the pFEM to evaluate the biomechanical contribution of the ribcage in fusionless scoliosis surgery.

In the context of this thesis, the objectives were devised to verify the following hypotheses:​ 1) a porcine spine finite element model, including the ribcage and epiphyseal growth dynamics, can represent the appropriate biomechanical behaviour and growth modulating effect of fusionless implants with simulated Cobb angle within 5°, vertebral wedging within 2°, and vertebral rotation within 3° of their measured values, 2) modulating the growth of the superior and inferior epiphyseal plates, simultaneously via a local implant which does not bridge the intervertebral disc space, can increase, by at least two folds, progressive Cobb angle and vertebral wedging compared to single growth plate alteration, 3) the growth modulating impact of fusionless implants is less prominent via the 2-step versus the inverse experimental approaches, 4) the biomechanical contribution of the ribcage is manifested by an increase in thoracic rigidity leading to a reduction in the impact of fusionless implants following a change in growth plate stress distribution.

A parametric finite element model of an osseo-ligamentous porcine spine and ribcage was developed using published and in-house morphometric measurements. Physiological forces and gravitational loads were replicated using a follower type load. Vertebral growth and its modulation were modeled at the epiphyseal growth plates. Growth behaviour was governed by the Hueter-Volkmann principle to address changes in epiphyseal growth in response to compressive stresses. An established porcine scoliosis in vivo model was simulated to verify replication of progressive scoliosis. As such, scoliosis induction was simulated via a posterior longitudinal tether and 5-level ipsi-lateral rib tethering over 10 weeks of growth. Subsequently, curve correction was simulated over 20 weeks using a custom anterior tether aiming at correcting the 3D aspect of the induced deformity, as previously reported experimentally. An additional verification step was performed by simulating induced deformities using a hemi- and rigid staples, over 12 and 8 weeks, respectively. Simulated Cobb angle, apical vertebral wedging, and apical vertebral rotation were within 5°, 2°, and 3°, respectively, for the progressive curve, its correction, and the simulated implants. Further investigational simulations demonstrated the 2-step approach was best suited to assess new fusionless implants as the biomechanical environment of the spine mimicked, as closely as possible, expected behaviours in deformed spines for progressive scoliosis treatment. Moreover, comparative simulations also showed the important biomechanical contribution of the ribcage in fusionless surgery as it increases the rigidity in the thoracic region, the lack of which resulted in exaggerated simulated implant influence.

Following extensive simulations and a detailed literature review, an existing patented fusionsless device was revised and features added, resulting a dual-epiphyseal staple, which acted locally on the proximal and distal epiphyseal growth plates without spanning the disc space. The implant consisted of separate parts, an upper and a lower piece, held together by a custom tool and expansion mechanism, which allowed for intra-operative implant height adjustment for various vertebral morphologies.

An in vivo animal trial was conducted using 7 instrumented healthy immature female pigs with 4 age-matched controls. The device was inserted locally over T7-T9 vertebrae and vertebral growth and spinal changes were followed over 3 months. Monthly radiographs were acquired to evaluate induced spinal deformities, vertebral wedging, and concave/convex vertebral body height differences. Final induced instrumented Cobb angle was 25.0°±4.2° with no significant changes in the sagittal plane. Vertebral wedging (18.2°±2.7°) was consistently highest at T9, with 45.4° cumulative vertebral wedging, evidence of reversed disc wedging phenomenon. Full growth restraint was achieved with 3.9±1.0 mm vertebral height shorter ipsi-lateral to the device. Measured indices were significantly higher than normal counterparts, except for sagittal angles. Moreover, instrumented region samples were harvested for µ-CT imaging. Preliminary µ-CT observations have indicated bone loss at instrumentation site in 3/7 cases suggesting the implant stress shielded the underlying bone with the presence of peripheral vertebral growth. Further analysis is required for conclusive affirmation.

Upon completion of this thesis work, several aspects can be highlighted towards the future advancement of fusionless devices and experimental surgery. The unique pFEM was capable of simulating progressive scoliosis via a well-established in vivo scoliosis model, reproduced the growth modulation of two distinct fusionless implants, highlighted important differences between the inverse and 2-steps fusionless implants testing approaches, and outlined the important biomechanical contribution of the ribcage in fusionless surgery. The developed model can be used to simulate different scoliosis progressive models. This novel porcine spine finite element model established an alternative design and testing platform for newly conceived growth-sparring implants prior to proceeding to final experimental testing and transferring acquired understandings to human clinical applications. Finally, the devised dual-epiphyseal implant demonstrated promising experimental results, which may be translated for the treatment of scoliosis in the growing spine. Further histological analyses are necessary to verify maintained disc health and support the safety of its future application on human spines.

La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont l’étiologie reste encore à élucider. Il est généralement admis que la progression de la déformation scoliotique pédiatrique est liée au principe d’Hueter-Volkmann qui stipule une réduction de la croissance suite à des contraintes en compression excessives au niveau de la concavité de la courbure scoliotique vs. sa convexité. Les stratégies de traitement des courbures sont difficiles, surtout chez les jeunes enfants. Typiquement, une intervention chirurgicale avec une instrumentation rachidienne accompagnée d’une arthrodèse segmentaire est nécessaire pour des courbures progressant au-delà de 40° d’angle de Cobb.

De nouveaux dispositifs visent à manipuler la croissance vertébrale en exploitant le principe d’Hueter-Volkmann pour contrôler la progression de et corriger la courbure. Ces implants sans fusion exploitent la croissance vertébrale résiduelle en manipulant des gradients de croissance pour localement inverser la cunéiformisation vertébrale et, au fil du temps, réaligner la colonne vertébrale globalement. Des essais cliniques ont démontré une correction prometteuse pour les courbures généralement inférieures à 45°;​ cependant, les dispositifs actuels chevauchent l’espace du disque intervertébral et le compriment augmentant les risques de dégénérescence du disque à long terme. Par ailleurs, les implants nouvellement conçus sont généralement testés en utilisant des modèles animaux équivalents pour évaluer leur efficacité à corriger des déformations par l'intermédiaire de l’approche inverse (création d'une déformation) ou l’approche à 2- étapes (création d'une déformation suivie d’une correction). Néanmoins, une plate-forme de conception efficace est nécessaire pour évaluer la manipulation de la croissance à court et long termes par de nouveaux implants et de raccourcir le transfert de connaissances vers des applications cliniques.

L’objectif général de cette thèse était de développer et de vérifier un modèle par éléments finis porcin (MEFp) unique en tant qu’une plateforme alternative pour la simulation de scolioses expérimentales progressives et des implants sans fusion, et d’évaluer un nouvel implant double-épiphysaire local ne chevauchant pas l’espace du disque sur des porcs immatures. Ainsi, les objectifs spécifiques suivants ont été complétés :​ 1) développer et vérifier un MEFp du rachis et de la cage thoracique, 2) développer et tester, in vivo, un implant double-épiphysaire incluant un mécanisme d’expansion spécifique, 3) exploiter le MEFp pour investiguer les différences entre les approches inverse et à 2-étapes couramment utilisés pour tester les nouveaux implants sans fusion, 4) exploiter le MEFp pour évaluer la contribution biomécanique de la cage thoracique et son rôle dans l’instrumentation sans fusion.

Dans le contexte de cette thèse, les objectifs spécifiques ont été proposés pour vérifier les hypothèses de recherche suivantes :​ 1) un modèle par éléments finis de la colonne vertébrale porcine, incluant la croissance épiphysaire et la cage thoracique, peut représenter le comportement biomécanique et la modulation de la croissance des implants sans fusion avec un angle de Cobb simulé à moins de 5°, une cunéiformisation vertébrale à moins de 2°, et une rotation axiale apicale à moins de 3° de leurs valeurs réelles, 2) moduler la croissance des plaques épiphysaires supérieures et inférieures simultanément avec un implant local ne chevauchant pas l'espace du disque intervertébral peut augmenter, d’au moins deux fois, l’angle de Cobb progressif et la cunéiformisation vertébrale comparé à une instrumentation locale sur une seule plaque 3) l'impact des implants sans fusion en chirurgie expérimentale est moins important par l'intermédiaire de l’approche à 2-étapes comparé à l’approche inverse, 4) la contribution biomécanique de la cage thoracique se manifeste par une augmentation de la rigidité thoracique menant à une réduction de l’impact des implants sans fusion suite à un changement dans la distribution des contraintes sur les plaques de croissance.

Un modèle par éléments finis paramétrique de la colonne vertébrale osséo-ligamentaire et de la cage thoracique porcine a été développé en utilisant des données morphométriques publiées et mesurées à l’interne. Une charge de type “Follower Load” a reproduit les forces physiologiques et la gravité. La croissance vertébrale et sa modulation ont été programmées selon le principe de Hueter-Volkmann, stipulant une réduction/augmentation de la croissance suite à un accroissement/réduction des contraintes en compression. Un modèle in vivo porcin bien-établi a été simulé pour vérifier la reproduction de scoliose progressive. Ainsi, la création d'une déformation suite à l'insertion d'un ligament postérieur longitudinal (8 niveaux) combiné avec un tethering ipsilatéral des côtes (5 niveaux) a été simulé sur 10 semaines de croissance. Subséquemment, une correction via un tether installé latéralement sur la vertèbre apicale ± 2 niveaux et visant à corriger l’aspect tridimensionnel de la courbure a été simulé sur 20 semaines supplémentaires. Une étape de vérification supplémentaire a été effectuée en simulant l’induction d’une déformation par un « hemi-staple » et une agrafe rigide sur 12 et 8 semaines, respectivement. L’angle de Cobb simulé, la cunéiformisation vertébrale, et la rotation axiale étaient à moins de 5°, 2°, et 3° de leurs valeurs réelles, respectivement. De plus, les simulations comparatives ont démontré que l'approche à 2 étapes était la mieux adaptée pour évaluer les nouveaux implants sans fusion puisque le comportement biomécanique de la colonne vertébrale déformée imitait les comportements attendus d’une colonne scoliotique sous instrumentation sans fusion. En outre, les simulations comparatives ont également montré l'importante contribution biomécanique de la cage thoracique en chirurgie sans fusion puisqu’elle augmente la rigidité de la région thoracique, et donc son omission en simulation numérique entraine une exagération des contraintes au niveau des plaques de croissance, et par la suite une augmentation de l’effet à long-terme de l’implant simulé.

Suite à une revue de la littérature et des essais numériques effectués sur le MEFp, un nouveau dispositif sans fusion a été conçu à partir d’un implant épiphysaire breveté au sein de notre équipe. Il s’agit d’une agrafe double-épiphysaire, qui agit localement sur les plaques de croissance épiphysaires proximales et distales sans chevaucher l'espace du disque intervertébral. L'implant se compose de deux parties distinctes, une pièce supérieure et une inférieure, tenues ensemble par un outil et un mécanisme d'expansion spécialisé, permettant de régler la hauteur de l’implant en intra-opératoire pour satisfaire des morphologies vertébrales diverses.

Un essai expérimental in vivo a été réalisé en utilisant 7 porcs femelles immatures (instrumentées) et 4 porcs contrôles. Le dispositif a été inséré localement sur les vertèbres T7-T9. La croissance vertébrale et les changements subis par la colonne vertébrale ont été suivis pendant 3 mois. Des radiographies mensuelles ont été acquises pour évaluer la courbure induite, la cunéiformisation vertébrale et la différence de hauteur vertébrale entre les côtés concave/convexe. L’angle de Cobb final mesuré entre T7-T9 était de 25.0°±4.2° avec aucun changement significatif dans le plan sagittal. La cunéiformisation vertébrale (18.2°±2.7°) a été constamment plus élevée à T9, avec 45.4° de cunéiformisation vertébrale cumulative, démontrant un phénomène de cunéiformisation discale inverse. Un arrêt de la croissance complet a été atteint avec une différence de hauteur vertébrale de 3.9±1.0 mm, moins importante du côté de l’implant. Les indices cliniques mesurés étaient significativement plus élevés que leurs équivalents contrôles, à l’exception de l’angle sagittal. En outre, des échantillons de régions instrumentées ont été acquis pour l'imagerie μ-CT. Des observations préliminaires des coupes µ-CT ont indiqué une perte d’os du côté de l’instrumentation dans 3/7 cas suggérant un phénomène de "stress-shielding" de l’os sous-jacent l’implant et la présence de croissance périphérique des vertèbres. Des analyses complémentaires sont nécessaires pour confirmer ces observations.

Suite à ce travail de thèse, plusieurs aspects peuvent être mis en évidence pour l'avancement de chirurgies expérimentales et des implants sans fusion. Le MEFp unique était capable de simuler la scoliose progressive d’un modèle de scoliose in vivo bien établi, a reproduit l’effet sur la croissance de deux implants sans fusion, a souligné l'importante différence entre les approches inverses et à 2 étapes utilisées pour les essais expérimentaux des implants sans fusion, et a souligné la contribution biomécanique de la cage thoracique en chirurgie sans fusion. Le modèle développé pourra être exploité pour simuler différentes approches de création d’un modèle de scoliose progressive. Finalement, le nouveau modèle par éléments finis porcin a établi une plateforme alternative pour concevoir et tester de nouveaux implants manipulant la croissance vertébrale avant de procéder à des essais expérimentaux finaux et le transfert des connaissances acquises à des applications cliniques humaines. Enfin, l’agrafe doubleépiphysaire a démontré des résultats expérimentaux prometteurs, pouvant être transférés pour le traitement de la scoliose dans une colonne en pleine croissance. En outre, l'analyse histologique permettra de vérifier l'état de santé du disque et de la sécurité en vue d’une application future chez les humains.