Le spondylolisthesis se definit par un glissement postero-anterieur d'une vertebre par rapport a sa vertebre sous-jacente. Cette pathologie se developpe souvent apres l'apparition d'une spondylolyse, c'est-a-dire une rupture de la pars interarticulaire de la vertebre, ou d'une dysplasie importante de ses elements posterieurs. Le spondylolisthesis affecte pres de 6% de la population et apparait communement dans la jonction lombosacree (L5-S1). II existe, dans la litterature, differents types de spondylolisthesis. Pour le spondylolisthesis « bas grade » (grades 1 et 2), il y a le type « shear » et le type « nutcracker » qui se differencient selon les valeurs de l'incidence pelvienne (PI) et de la pente sacree (SS). Pour le spondylolisthesis «haut-grade » (grades 3 a 5), il y a le type « bassin balancee » et le type « bassin retroverse » qui se differencient selon les valeurs de la pente sacree et de la version pelvienne.

Les forces en jeu responsables de la progression des deux pathologies ne sont pas bien documentees dans la litterature. Le but du projet est done de developper un modele par elements finis (MEF) complet et detaille d'un rachis pediatrique. Ce modele peut etre personnalise a des patients atteints de spondylolisthesis bas grade et haut grade, avec spondylolyse. Ce modele permet egalement de faire une etude biomecanique des contraintes au niveau des plaques de croissances epiphysaires et des plateaux vertebraux a la jonction lombo-sacree. Le choix des patients qui ont ete retenus pour cette etude est base sur les systemes de classification proposes dans la litterature afin de representer chacune des classes du spondylolisthesis bas grade et haut grade.

La geometrie de la colonne vertebrate, du bassin et de la cage thoracique a ete reconstraite a partir de radiographies bi-planaires, postero-anterieure et laterale, des patients, avec un raffinement au niveau du segment L4-bassin. Les muscles et les differents tissus conjonctifs inter- et para-vertebraux pertinents ont ete modelises. Dixsept reperes anatomiques ont ete utilises pour la reconstruction de chaque vertebre thoracique et lombaire et 23 reperes anatomiques ont ete utilises pour le bassin. Le modele par elements finis personnalise a ete adapte par krigeage dans le repere de chaque patient reconstruit. Ce modele a la propriete de passer par tous les reperes anatomiques identifies lors de la reconstruction tandis que la position des autres points est determinee statistiquement. Les proprietes mecaniques ont ete tirees de la litterature.

Quatre patients differents, selon les types de classification reportes dans la litterature, ont ete choisis pour cette etude. Differents cas de chargements et de mouvements physiologiques ont ete simules numeriquement. Une flexion de 30° et une extension de 40° ont ete simulees par rapport au centre du plateau superieur de la vertebre S1. Une lyse au niveau du pars interarticulaire a ete creee virtuellement par le retrait d'elements dans la partie posterieure de la derniere vertebre lombaire. Le comportement du modele par rapport a l'effet de la gravite et aux efforts musculaires est une fonction d'une methode d'optimisation du gradient et de recherche de coordonnees adaptatifs. Cette derniere methode consiste a evaluer la reponse en regime permanent du rachis, soumis aux forces musculaires et de gravite, selon differents points de depart choisis a pas egal autour d'une valeur centrale. Pour un point de depart choisi, la methode de gradient est utilisee afin de determiner la contribution musculaire necessaire pour effectuer le mouvement. Les differents points de departs sont testes et lorsque le meilleur point de depart est trouve parmi ceux selectionnes, on divise le pas de moitie. Au final, 1'optimisation s'effectue a partir du point de depart optimal trouve jusqu'a ce que la geometrie resultante, sous l'effet des forces musculaires et de gravite, corresponde a la geometrie obtenue apres reconstruction. Des simulations ont ete faites, a partir de la reconstruction et modelisation d'un cinquieme patient ayant evolue d'un grade 2 a un grade 3 de spondylolisthesis, afin d'evaluer les differences des contraintes durant la progression.

Une analyse des contraintes principales et de cisaillement a ete faite au niveau de l'articulation L5-bassin. Les contraintes ont ete analysees plus specifiquement au niveau des plaques de croissance et du plateau inferieur de L5. Pour le cinquieme patient, les contraintes normales et de cisaillement extraites des simulations au grade 3 sont superieures a celles au grade 2. Pour le patient de type nutcracker, les contraintes normales sont plus elevees que celles reportees dans certaines litteratures. Pour le patient de type shear, les contraintes normales et de cisaillement sont plus elevees que celles du patient de type nutcracker. De plus, pour le patient de type shear, les mouvements de flexion augmentent le cisaillement au niveau du plateau vertebral de L5, a l'interface de la plaque de croissance. Pour les patients atteints de spondylolisthesis haut grade, les contraintes normales et de cisaillement sont plus elevees que chez les patients atteints de spondylolisthesis bas grade.

Les resultats suggerent un mecanisme de rupture du pars interarticulaire en extension au niveau de la vertebre L5 pour les patients bas grades. Dans tous les cas, les facettes articulaires, en bloquant le deplacement relatif antero-posterieur des vertebres, entrainent des contraintes normales au niveau du pars. Les contraintes de cisaillement, etant elevees au niveau de la jonction du plateau vertebral de L5 et de la plaque de croissance, suggerent que le glissement, pour le patient de type shear, risque d'evoluer au cours du temps. Le glissement pour le patient de type nutcracker est egalement a risque de progresser a cause du cisaillement sur le plateau inferieur de L5, a la jonction de la plaque de croissance. Pour tous les patients bas grades, les contraintes de compression sur la plaque de croissance du sacrum permettent d'interpreter les changements morphologiques en forme de dome qui apparaissent dans le temps. L'analyse des contraintes de cisaillement pour les patients atteints de spondylolisthesis haut grade suggere que plus le grade de glissement est eleve, plus le risque de progression augmente.

Spondylolisthesis is a postero-anterior slippage of a vertebra on the one directly below. It mainly occurs after spondylolysis, which is a stress fracture of the pars of the cranial vertebra, or after a high dysplasia of its posterior bony elements. Spondylolisthesis affects about 6% of the general American population and usually occurs at the lumbosacral junction. The literature describes classification systems for low- and high-grade spondylolisthesis. For low-grade spondylolisthesis (grade 1 and 2), there are the shear-type patients and the nutcracker-type patients, and the pelvic incidence (PI) and sacral slope (SS) are the main measurement parameters. For high-grade spondylolisthesis, the SS and pelvic tilt (PT) are the main measurement parameters, and there are the "balanced pelvis"-type patients and the "retroverted pelvis"-type patients.

Forces responsible for the progression of both pathologies are poorly documented in literature. There are only few studies of pediatric spondylolisthesis. The aim of this project is to develop a detailed and personalized finite element model (FEM) to investigate the biomechanics of pediatric L5-S1 spondylolysis and spondylolisthesis. This model can be personalized for patients with low- or high-grade spondylolytic spondylolisthesis. A detailed analysis can be done with the FEM in the epiphyseal growth plates and osseous endplates in the lumbosacral junction. Patients were selected for this study according to the classification systems reported in the literature.

The geometry of the spine, pelvis and rib cage was reconstructed in 3D using biplanar radiographs of low- and high-grade spondylolisthesis patients. Taking into consideration the effects of muscles and relevant inter and para-vertebral connective tissues, a personalized biomechanical model was established with enhanced details of the L4 to pelvis segment. Seventeen anatomical landmarks were used for the 3D reconstruction of thoracic and lumbar vertebrae and 23 were used for the pelvis. The 3D coordinates of the nodes of the existing bony FEM were then deformed using dual kriging to fit these reconstruction points. The FEM fits all the landmarks identified by the reconstruction process, and the 3D coordinates of other nodes are statistically determined. Mechanical properties of anatomical structures were found in the literature.

Four different patients have been selected for this study according to the classification systems reported in the literature. Different loading and physiological movements were studied. A flexion of 30° and an extension of 40° were simulated numerically. A bilateral lysis was created by manually removing posterior elements of L5. The combined effects of muscles and gravity were based on a gradient and opportunistic coordinate search optimisation process. This last method consists in the evaluation of different start points of optimization, equally spaced, in order to identify which is the best. For a chosen start point, the gradient method finds the muscles' contribution necessary to execute the movement. Different start points are tested and when the best point is found among those selected, the interval between separated start points is divided in half. Optimization then proceeds from this initial point until the resulting geometry is the same as the 3D reconstruction. A fifth pathological patient that progressed from a grade 2 to a grade 3 spondylolisthesis has been used for the assessment of spondylolisthesis progression.

Principal and shear stress were calculated in the lumbosacral joint. Stress was studied more specifically at the epiphyseal growth plates and the osseous endplate of L5. For the fifth patient, stress was higher in grade 3 than in grade 2 spondylolisthesis. Compression stress on L5 was higher than that reported in some literatures for the nutcracker-type patient, whereas normal and shear stresses were higher in the shear-type patient than those reported on the nutcracker-type patient. Furthermore, for the shear-type patient, flexion movements induced high shear stress at the osseous endplate of L5, at the junction of its growth plate. Stresses were higher in high-grade spondylolisthesis than in low-grade spondylolisthesis.

Results suggest that an extension mechanism fracture of the pars is dominant for low-grade spondylolisthesis patients. The relative displacement between vertebrae is restrained by the facet joints which induce normal stress in the pars. Existing stress at the lumbosacral junction for the shear- and nutcracker-type patient could lead to a physis stress fracture of the vertebral body and then, further slippage at the growth plate. For both low-grade patients, compression on the anterior part of the SI growth plate could be associated with its dome-shaped morphology change during the pathology's progression. Results from high-grade simulations however, suggest a higher grade of slippage increases the risk of further slippage over time.