La scoliose idiopathique de l'adolescent est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont les causes sont inconnues et qui affecte les jeunes à la puberté. Les formes les plus sévères nécessitent une intervention chirurgicale qui consiste en la fixation de tiges, par l'intermédiaire d'implants fixés aux vertèbres afin de redonner à la colonne vertébrale ses courbures naturelles. L'instrumentation peut être fixée à la partie postérieure ou antérieure des vertèbres. En chirurgie de la scoliose, il a été démontré que la stratégie opératoire est fonction du chirurgien et, conséquemment, les corrections résultantes aussi. Depuis plusieurs années, des modèles pour la simulation de chirurgies ont été créés afin d'assister le chirurgien lors de la planification de la chirurgie. À ce jour, la plupart des modèles ont été utilisés pour la simulation de chirurgies postérieures. L'objectif global de ce projet est donc de développer un modèle biomécanique pour la simulation de chirurgies d'instrumentation antérieure.

La géométrie du modèle de la colonne vertébrale personnalisée au patient a été obtenue à partir de reconstructions multi-vues radiographiques. La modélisation a été réalisée par une approche multi-corps flexibles. Les vertèbres, ainsi que les composantes du système d'instrumentation (vis mono-axiales et écrous), sont représentées par des corps rigides tandis que les tiges sont composées de segments rigides assemblés par des segments flexibles. Les liaisons intervertébrales et implant/vertèbre ont été modélisées par des matrices de raideur. Les propriétés mécaniques de ces liaisons ont été tirées de la littérature et modifiées afin de représenter les changements d'états induits par les manœuvres de discoïdectomie et d'insertion de greffons osseux. Les simulations incluent les manœuvres d'insertions et de serrage de deux tiges ainsi que la compression segmentaire entre les implants fixés à la première tige. Une première étape de validation a nécessité la modélisation d'un banc d'essais réalisé par Cloutier (2003) avec des rachis synthétiques, ce qui a permis une première évaluation des propriétés mécaniques choisies pour les liaisons intervertébrales et implant/vertèbre. Ensuite, 10 cas de chirurgies d'instrumentation réelle ont été simulés avec le modèle personnalisé et les résultats des simulations ont été comparés aux données post-opératoires. Des études de sensibilité ont été menées sur les paramètres de simulations tels que les conditions aux limites, le positionnement des implants, le choix des propriétés mécaniques et la forme des tiges. Une fois validé, le modèle a été utilisé pour tester plusieurs stratégies opératoires afin de déterminer la stratégie «optimale».

La comparaison entre le modèle développé pour simuler le banc d'essais de Cloutier (2003) et les résultats de ce dernier montrent des comportements semblables des sollicitations en flexion, extension, inflexion latérale et torsion. Les simulations de cas réels ont démontré qu'il était possible de prédire avec des différences de moins de 5 degrés les corrections obtenues dans les plans frontal et sagittal. Quelques exceptions ont été retrouvées et présentaient des écarts plus importants allant jusqu'à 10 degrés. Les angles de Cobb près de 0 dans le plan sagittal ont influencé les résultats de l'orientation finale du plan de déformation maximale dans 8 cas sur 10. Pour l'angle de rotation axiale, les simulations ont prédit adéquatement les résultats à 4 degrés près. Les efforts de corrections maximales ont été trouvés aux vertèbres extrêmes instrumentées et aux niveaux où la compression a été appliquée. Les efforts moyens étaient faibles avec une valeur de 150N. L'utilisation du modèle pour le choix de stratégies «optimales» s'est avérée intéressante. Selon le chirurgien traitant, les résultats obtenus concordaient avec ce qui était attendu cliniquement. Cette étude lui aura permis de répondre à certaines interrogations à savoir si l'instrumentation d'un niveau supplémentaire ou l'ajout d'un second implant à certains niveaux était bénéfique pour le patient.

L'étude de sensibilité sur les conditions aux limites a montré des différences importantes au niveau de la prédiction des indices géométriques, des courbures rachidiennes ainsi que des efforts aux liaisons implant/vertèbre. L'étude de sensibilité sur le positionnement des implants a démontré que de faibles déplacements (2mm) avaient peu d'effet au niveau des efforts implant/vertèbre. Les tests effectués avec différentes propriétés mécaniques ont démontré que les propriétés utilisées lors des simulations représentaient adéquatement la discoïdectomie et ses effets sur le rachis. L'effet de la déformation des tiges a toutefois démontré qu'il pouvait y avoir un impact sur les indices géométriques particulièrement dans le plan sagittal.

Le modèle développé a permis de reproduire adéquatement des chirurgies d'instrumentation antérieure de la colonne vertébrale scoliotique. Le modèle s'est avéré être un outil fiable de prédiction des résultats géométriques et mécaniques du rachis post-opératoire sur la zone instrumentée. Le modèle peut maintenant être incorporé au simulateur de chirurgies afin d'en faire un outil complet pour la planification et l'optimisation de stratégies opératoires.

Adolescent idiopathic scoliosis is a 3D deformation of the spine of unknown causes that affects children at puberty. Severe cases usually require a surgical intervention which consists in fixing rods to the spine using implants to give back to the spine its natural curves. Instrumentation can be fixed either to the posterior or anterior part of the vertebrae. In scoliosis surgery, it has been proven that the operating strategy and consequently the resulting corrections vary in function of the surgeons. For many years now, models for surgery simulations have been created to assist surgeons during surgery planning. Up to now, the majority of those models have been used only for simulations of posterior instrumentation. The global aim of this project was thus to develop a biomechanical model for the simulation of anterior instrumentation surgeries.

The geometry of the spine model was personalized using multi-view radiographic reconstructions. The modeling was realized using multibody and flexible mechanisms. Vertebrae and parts of the instrumentation system;​ mono-axial screws and nuts were represented by rigid bodies. Rods were composed of rigid segments assembled by flexible segments. The intervertebral and implant/vertebra links were modeled by stiffness matrices, named ««field» elements in the database of ADAMS. Mechanical properties of those links were taken from literature and modified to simulate state changes induced by discectomy and bone graft insertion. Simulations include insertion manoeuvres and tightening of both rods, and also compression between implants fixed to the first rod. The first validation step required the simulation of a work bench created by Cloutier (2003) which allowed the first evaluation of the mechanical properties of the intervertebral and implant/vertebra links. Ten cases of real anterior instrumentation surgeries were simulated with the personalized model and simulation results were compared to post-operative data. Sensitivity studies were conducted on simulation parameters such as the boundary conditions, implant positioning, selection of mechanical properties and the shape of the rods. Once validated the model was used to test various operating strategies to establish the «optimal» one.

The comparison between the model developed to simulate the work bench of Cloutier (2003) and the results from the lattes showed similar behaviour for loads in flexion, extension, lateral bending and torsion. Simulation of real surgery cases showed that it is possible to predict, in a 5 degrees range, the corrections obtained in the frontal and sagittal plans. Only a few results have shown differences up to 10 degrees. Cobb angles close to zero in the sagittal plane influenced the results for the orientation of the plane of maximum deformity in 8 cases out of 10. The axial rotation angle at the apical vertebra was predicted correctly with a maximum difference of 4 degrees. Maximal corrections forces were found at the highest and lowest instrumented vertebrae and at the levels where compression was applied. Average forces were low at 150N. The use of this model for the selection of optimal operating strategies was very interesting. According to the surgeon, the predicted outcomes were similar to what was expected clinically. Moreover, this study allowed him to get answers to many interrogations such as;​ will the instrumentation of one more vertebral level or will adding one more implant to certain levels be beneficial for my patient?

Sensitivity study on boundary conditions demonstrated important differences in the prediction of geometrical indices, spinal curvatures and implant/vertebra link efforts. Sensitivity study on the positioning of implants demonstrated that small displacements (2mm) had small effects on the implant/vertebra link forces. Testing of different mechanical properties demonstrated that those used during the simulations were adequately representing the discectomy and its effects on the spine flexibility. Rods deformation showed and impact on geometrical indices particularly in the sagittal plane and for the prediction of the orientation of the plane of maximum deformity.

The model developed in this project allowed adequate reproduction of anterior spine surgery correction. The model can predict geometrical and mechanical outcomes for the instrumented part of the spine. It can now be added to the Spine Surgery Simulator (S3) to make it a complete and powerful tool for the planning and optimization of operating strategies.