La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) génère des déformations complexes tridimensionnelles (3D) de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin. De 3 à 4 % de la population est atteint par cette maladie, principalement des filles adolescentes durant leur poussée de croissance. Cette pathologie peut mettre en danger la santé de l’individu, advenant une progression de la déformation du rachis. Dans ces cas, une chirurgie, permettant de redresser la colonne vertébrale grâce à des tiges et vis métalliques, est nécessaire. Cette chirurgie est très invasive et comporte certains risques (notamment vasculaire et nerveux). Des traitements moins invasifs sont disponibles pour prévenir la progression des courbures. Pour des courbures moyennes, un traitement par port de corset (orthèse pour le tronc) est généralement utilisé. Le corset de Boston est le traitement standard utilisé en Amérique du Nord. Sa conception est effectuée de façon empirique à l’aide de l’évaluation de radiographies. Il existe d’autres types de corsets disponibles sur le marché. Seulement, leur efficacité est variable et imprévisible. Cette grande variété de concepts de corset est dû au fait que l’action biomécanique de la correction des corsets est méconnue.

Une plateforme, assistée par ordinateur, de conception de corset a été créée à la suite de travaux précurseurs sur le développement d’un modèle par éléments finis (MEF) du tronc humain. Cette plateforme permet d’effectuer la conception d’un corset à l’aide d’un outil de conception assistée par ordinateur (CAO) ainsi que de simuler son installation sur le MEF du tronc. La simulation permet de prédire l’efficacité immédiate du corset avant sa fabrication. Celui-ci peut dès lors être itérativement amélioré à l’aide de cet outil, jusqu'à ce que l’efficacité du corset soit jugée suffisante. Le corset peut alors être fabriqué avec un système de fabrication assistée par ordinateur (FAO) lié à une fraiseuse numérique 3D. Cette plateforme permet la rationalisation de la conception de corset. Cet outil a besoin de validation clinique afin d’être utilisé pour créer des corsets efficaces de façon constante.

L’objectif de cette étude était de vérifier la faisabilité d’utiliser la nouvelle plateforme de conception pour fabriquer des corsets pour les patients SIA. L’efficacité des nouveaux corsets a été comparée ensuite aux prédictions de la simulation ainsi qu’à un système de corsets standards.

Deux corsets ont été fabriqués pour six patients SIA. Le premier corset a été créé à l’aide de la nouvelle plateforme de conception (NouveauCorset). Ce dernier est basé sur une reconstruction 3D de la colonne vertébrale, du bassin et de la cage thoracique de chaque patient, issue de radiographies calibrées bi-planaires (postéro-antérieure et latérale). La géométrie de la surface externe du tronc est acquise à l’aide d'une technologie de topographie de surface (système de digitalisation de bandes de lumière moirées). Les géométries internes et externes sont juxtaposées à l’aide de marqueurs radio opaques et les géométries recalées sont converties en un MEF biomécanique. Ce modèle est ensuite utilisé pour corriger virtuellement les déformations de la colonne vertébrale dans l’outil de simulation. Cette correction permet à l’utilisateur d’avoir une forme de tronc pré-corrigée rationnellement sur laquelle faire la conception d’un corset rigide. La conception du corset, par rapport à ses dimensions, découpes et nombre de courroies, est itérativement testée dans l’outil de simulation. Ceci permet l’optimisation du potentiel de correction immédiate ainsi que de la distribution de pressions appliquées sur le tronc avant la fabrication. Le concept de corset optimal est choisi pour la fabrication par FAO. Le second corset fabriqué pour chaque patient est un corset standard thoraco-lombo-sacré (TLSO) conçu selon la méthode de moule en plâtre (CorsetStd). L’efficacité immédiate des corsets a été évaluée à l’aide de radiographies du patient dans chacun des corsets et comparée à la correction des corsets prévue par la simulation.

Le NouveauCorset fabriqué à l’aide de la plateforme de conception a corrigé les déformations du rachis en moyenne à près de 5° d’angle de Cobb de la simulation. Il a eu des corrections similaires à celles obtenues par le corset standard avec une correction moyenne de 14° vs. 15° pour le NouveauCorset et le CorsetStd respectivement. Un effet d’aplanissement des courbures sagittales avec une réduction de 10° de la lordose et de la cyphose a été remarqué pour les deux types de corset, tandis que la simulation ne modifiait la cyphose et la lordose que d’environ 1°. Le déjettement coronal était similaire entre les deux types de corset (7.3 vs. 6.8 mm d’amélioration du déjettement pour le NouveauCorset vs. CorsetStd). Toutefois, le déjettement n’a pu être simulé à cause des contraintes sur le modèle du tronc des patients.

En moyenne, la simulation a prédit des résultats réalistes pour la correction des corsets, plus particulièrement pour la portion de la colonne vertébrale de T7 à S1 (différence moyenne entre la simulation et le corsets fabriqués inférieure à 5° d'angle de Cobb). Les zones de pression prédites étaient comparables à celles appliquées par le corset sur le tronc. Le nouveau corset avait des effets comparables à ceux du corset standard. Ces premiers résultats démontrent la faisabilité de fabriquer des corsets fonctionnels, équivalents aux corsets standards, à l’aide de cette nouvelle méthode de rationalisation et la plateforme de conception.

Cette étude comporte quelques limites. D’abord, le MEF du tronc n’inclut pas de représentation de l’activité musculaire. Il permet une indication de l’action passive du corset sur le tronc. Le modèle inclut aussi certaines contraintes nécessaires pour le calcul. Le bassin est fixé ainsi que T1, sauf dans l’axe vertical. La fixation du bassin empêche la prédiction de la rotation du bassin lorsqu’un corset est installé sur le patient, ce qui peut expliquer certaines différences entre les courbures sagittales de la simulation et des radiographies. Les contraintes à T1 empêchent le déplacement de cette vertèbre représentant le déjettement du patient. Par contre, les forces de réactions sont calculées à T1 et donnent une indication sur le déjettement du patient. Le MEF du tronc est personnalisé à la géométrie spécifique de chaque patient. Toutefois, la flexibilité des patients est encore évaluée qualitativement. Des outils permettant la mesure d’un indice de flexibilité sont en développement au CHU Sainte-Justine, et seront intégrés à la plateforme dans des études futures. La simulation prédit l’effet immédiat des corsets sur la correction des courbures du patient dans une position debout. L’effet à long terme n’est pas explicitement représenté. L’effet des corsets dans d’autres positions du patient serait à vérifier afin d’évaluer davantage l’efficacité des concepts de corsets. Une évaluation du confort a été présentée dans cette étude à l’aide de la distribution de pression. Plus de travail est nécessaire afin d’introduire d’autres critères de confort du patient tels que l’humidité, les surfaces de contact et les ouvertures ou fenêtres du corset à l’outil de prédiction.

Cette étude est la première évaluation clinique de l’outil de simulation. Elle a permis la fabrication de corsets dont l’action biomécanique a été évaluée et qui sont cliniquement efficaces pour plusieurs cas de SIA. Plus de patients sont nécessaires pour valider davantage cette nouvelle plateforme de conception. Lorsqu’elle sera complètement validée, cette nouvelle technique de conception permettra d’améliorer le processus de conception de corset et de rationaliser les traitements conservateurs de la SIA.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) generates complex tridimensional deformities of the spine, rib cage and pelvis. It affects around 3-4% of the population, mainly female adolescents during their growth spurt. This pathology can be health threatening. If severe spinal curvature progression occurs, a surgery is necessary to straighten the spine using metal rods and screws. This surgery is very invasive and involves certain risks (mainly vascular and nervous). Conservative treatments are available to prevent curve progression. For moderate curves, braces (torso orthosis) are generally used as treatment. The standard brace used in North America is the Boston brace system. Its design is currently done mostly empirically based on assessments of radiographs. Other brace designs are available on the market;​ however their efficacy is variable and unpredictable. This wide brace design variety is due to the fact that brace biomechanical actions are not fully understood.

Based on previous work on the development of a personalized finite element model (FEM) of a human torso, a computer assisted brace design platform was created. This platform allows brace design through Computer Assisted Design (CAD) and brace installation simulation on the FEM of the trunk. The simulation allows predicting initial brace efficacy, prior to the brace fabrication. The brace design can be iteratively improved using this tool until brace efficacy is considered sufficient and the brace can be fabricated using Computer Assisted Manufacturing (CAM) linked to a 3D carver. This platform permits the rationalization of brace design. This tool needs to be clinically validated to be used to create consistently efficient braces for clinical use.

The objective of this study is to assess the feasibility of using the new design platform to build braces for AIS patients. The effectiveness of the braces issued from this process need to be compared to the predicted outcome of the simulations and to a standard bracing system.

To do so, two braces were fabricated for six AIS patients. The first brace was created using the new design platform (NewBrace). The latter is based on a 3D reconstruction of the spine, pelvis and rib cage of each patient, computed from bi-planar (postero-anterior and lateral) calibrated radiographs. The external torso surface geometry is acquired using a surface topography technology (Moiré fringe digitization system). The internal and external geometries are registered together using radiopaque markers and the registered geometries are converted to a biomechanical FEM. This model is used to virtually correct the spinal deformities in the simulation tool. This correction enabled the user to have a rationally corrected torso shape on which to design a rigid brace. The brace design, in regards to dimensions, cut-outs and strap number, is iteratively tested in the simulation tool. This allowed the optimization of the immediate in-brace correction potential as well as pressure distribution exerted on the torso prior to fabrication. The optimal brace design is chosen for fabrication using the CAM system. The second brace fabricated for each patient is a standard TLSO designed using the plaster-cast method (StdBrace). Immediate brace effectiveness was assessed using in-brace patient radiographs for both braces and compared to the predicted brace correction of the simulation.

NewBrace fabricated using the design platform corrected on average the spine deformities within 5° of Cobb angle of the simulated correction. It also had similar correction as compared to the standard brace with an average correction of 15° vs. 14° for the StdBrace and the NewBrace respectively. For both brace types, there was similar flattening effect of the sagittal curves with an average of 10° reduction of the lumbar lordosis and thoracic kyphosis, whereas the simulations modified on average the kyphosis and lordosis of about 1°. The two braces had similar effects on the coronal balance (7.3 vs. 6.8 mm balance improvement respectively for NewBrace vs. StdBrace). However, the balance could not be simulated, because of constraints on the patient model.

On average the simulation predicted realistic outcome for brace correction, specifically for the T7 to S1 portion of the spines (with an average difference between the simulation and the fabricated brace of under 5° of Cobb angle). It also predicted similar pressure zones applied by the brace on the torso. The new braces had comparable effects with the standard braces. These first results showed the feasibility of building functional braces, equivalent to standard braces, based on the new design platform.

Some limits are inherent to this study. First the FEM of the torso did not include a representation of muscle activity. It only registers the passive action of the brace on the torso. The model also includes certain constraints needed for computing. The pelvis was fixed so was T1, except in the vertical axis. Fixing the pelvis prevented the prediction of pelvis rotation when a brace was positioned on the patients, which can explain certain differences in sagittal curves between the simulation and the radiographs. The constraints on T1 prohibit the vertebra displacement representing the patient balance, alignment offset between S1 and T1. However, the reaction forces were computed at T1 and give an insight on patient balance. The torso FEM was personalized to specific patient geometries;​ yet the patient flexibility was still qualitatively assessed. Tools to measure a flexibility index are being developed at Sainte-Justine Research Center, and will be implemented to this platform in future studies. The simulation predicted the immediate brace correction of the patient in the standing position. The long term effect was not explicitly represented. The effect of bracing in other patient positions would be necessary to further assess the efficiency of the brace designs. Comfort assessment was introduced in this study using the brace pressure distribution. More work could be done in this subject using other comfort criteria like humidity;​ contact surfaces and brace openings (windows).

This study was the first experimental assessment of the brace simulator as a clinical tool. It allowed the fabrication of biomechanical and clinically relevant braces for several cases of AIS. More cases are necessary to further validate this new brace designing platform. When completely validated, this new design technique will allow improving the brace design process and rationalize conservative treatments of AIS.