La scoliose est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale et de la cage thoracique qui, dans les cas les plus sévères, est traitée chirurgicalement par instrumentation et ostéosynthèse. Les costoplasties (résections de côtes) sont d'autres options chirurgicales utilisées lors du traitement de la scoliose. Elles sont généralement mises en œuvre dans un but esthétique afin de réduire les déformations de la cage thoracique. Par ailleurs. quelques études cliniques appuyées par des études expérimentales sur les animaux ont montré que ces procédures, avec raccourcissement ou allongement, peuvent également être utilisées pour corriger les déformations de la colonne vertébrale. Les principes d'action des costoplasties s'appuient sur des concepts physiologiques complexes touchant aux aspects de biomécanique humaine, de processus scoliotique et de croissance. Les mécanismes de correction de ces techniques sont encore mal maîtrisés du fait des nombreux paramètres qui entrent en jeu lors du traitement. Aucune étude biomécanique n'a été consacrée à la caractérisation de ces mécanismes.

Ce projet s'intéresse aux mécanismes de correction des costoplasties et pose l'hypothèse qu'il est possible d'influencer mécaniquement les déformations scoliotiques en pratiquant des opérations chirurgicales sur la cage thoracique. Les objectifs sont donc de développer une approche de modélisation biomécanique des costoplasties, d'évaluer le potentiel de correction de ces approches et d'effectuer des recommandations au sujet de leur utilisation en clinique pour le traitement de la scoliose.

Un modèle biomécanique, par éléments finis, a été utilisé afin de tester virtuellement différentes variantes de costoplasties dans le but de vérifier les différents aspects de cette hypothèse. Ce modèle est construit à partir de la géométrie personnalisée de patients scoliotiques à l'aide d'une technique de reconstruction tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique développée à l'Hôpital Sainte-Justine et à l'École Polytechnique de Montréal. La faisabilité de l'approche a d'abord été testée sur la géométrie d'un patient scoliotique d'angle de Cobb thoracique de 72°. Ensuite, une étude biomécanique complète des mécanismes de correction a été effectuée sur un patient scoliotique d'angle de Cobb thoracique de 46°. Finalement, une étude complémentaire a permis de comparer les mécanismes de correction des costoplasties avec ceux de l'instrumentation Cotrel-Dubousset qui ont été simulées de façon isolée ou concomitante sur 5 patients scoliotiques.

Les costoplasties produisent de faibles modifications géométriques, mais des efforts importants et complexes sont générés au niveau des côtes et des vertèbres lors des simulations. Cette étude a permis de caractériser les efforts internes transmis des côtes aux vertèbres lors des interventions chirurgicales sur les côtes, et des vertèbres aux côtes lors de l'instrumentation du rachis. Les tendances observées ont montré que des raccourcissements de côtes du côté de la concavité ou des allongements de côtes du côté de la convexité de la courbure scoliotique induisent en général des patrons de chargement complexes sur les plateaux vertébraux orientés dans le sens d'une correction des déformations scoliotiques du rachis. En revanche, les raccourcissements de côtes du côté convexe effectués dans un but esthétique induisent généralement des charges orientées dans le sens du processus scoliotique. Des résultats opposés ont été obtenus lorsque les interventions ont été effectuées au niveau de la partie antérieure (proche de l'articulation costo-chondrale) ou de la partie postérieure (proche de articulation costo-vertébrale) des côtes.

L'étude complémentaire des mécanismes de correction de l'instrumentation rachidienne Cotrel-Dubousset a montré que les patrons de chargements vertébraux sont similaires à ceux des costoplasties dans le plan frontal et transverse au niveau de l'apex thoracique. Des approches combinées ont également mis en évidence que les côtes sont le lieu de transferts de charges important lors des traitements chirurgicaux de la scoliose. Dépendamment du potentiel de croissance résiduel des patients, ces interventions sont susceptibles de modifier l'équilibre rachidien et de contrebalancer la progression des courbures. Utilisées selon des indications particulières, les simulations ont confirmé que ces procédures sont également des options chirurgicales intéressantes pour traiter les déformations esthétiques de la cage thoracique.

Toutefois, le modèle utilisé comporte des limites qui doivent être considérées lors de l'interprétation des résultats, notamment au niveau des propriétés mécaniques et des conditions limites. Le choix de ces paramètres influence grandement la variabilité des simulations puisqu'ils définissent le comportement biomécanique du modèle lors des différentes sollicitations auxquelles il est soumis. De plus, la croissance des côtes et des vertèbres n'a pas été simulée et seul l'effet immédiat des chirurgies a été évalué.

Enfin, cette analyse biomécanique a fortement mis en évidence le potentiel clinique et l'utilité des costoplasties pour le traitement de la scoliose. L'approche de modélisation développée dans ce projet peut être utilisée afin de tester virtuellement les traitements chirurgicaux sur la cage thoracique et d'aider les chirurgiens orthopédistes à mieux comprendre les mécanismes de correction mis en jeu lors de l'utilisation de ces procédures. Cet outil permettra d'analyser des concepts chirurgicaux novateurs qui ne peuvent pas être testés directement sur des patients pour des raisons évidentes d'éthique. Les développements futurs permettront de mieux définir le rôle de la cage thoracique qui est parfois mis au second rang lors des traitements chirurgicaux de la scoliose.

Scoliosis is a complex tridimensional (3D) deformation of the spine and rib cage, which severe cases are mostly treated by spine instrumentation and bone fusion. Costoplasties (rib shortening or lengthening) are surgical options to address the scoliotic deformities. Rib resections are mostly performed for cosmetic purpose to reduce the rib cage deformation. Few clinical studies supported by experimental investigations on animals have provide sufficient evidence that such procedures could also be used to correct the spinal deformation. The costoplasty principles of action are based on physiological concepts in link with the human biomechanics, and the scoliosis and growth processes. The correction mechanisms of these techniques are still poorly understood due to the several surgical parameters that are involved during the treatment. No biomechanical study was made to characterize those mechanisms.

This Master thesis focuses on the correction mechanisms of costoplasty procedures and addresses the overall hypothesis that rib cage surgeries may influence the scoliotic deformities by mechanical means. The aims of this study are thus to develop a biomechanical modeling approach of rib surgeries, evaluate the potential correction of these techniques and formulate recommendations about the clinical use of costoplasties for the management of scoliosis.

A biomechanical finite element model has been used to virtually test various costoplasty options in order to address the project hypothesis. This model was built from patient specific geometric data using a tridimensionnal reconstruction technique of the spine and rib cage that has been developed at Sainte-Justine hospital and École Polytechnique de Montréal. The modeling feasibility was first tested on the geometry extracted from a scoliotic patient having a 72° thoracic Cobb angle. Then, a detailed biomechanical investigation of the correction mechanisms was made on an other scoliotic patient having a 46° thoracic Cobb angle. Finally, a complementary analysis was carried out to compare the mechanisms of action of the costoplasty procedures and the Cotrel-Dubousset spine instrumentation that were simulated either alone or in a concomitant way on 5 scoliotic patients.

Costoplasties produce slight immediate geometric modifications but important and complex loads are generated in the ribs and vertebrae during the simulations. This study characterized the internal loads transmitted from the ribs to the vertebrae during rib surgeries, as well as loads from the vertebrae to the ribs during the spine instrumentation surgery. In one hand, resulting trends showed that rib shortening on the side of the concavity or rib lengthening on the side of the convexity generally induce complex load patterns on the vertebral endplates that are oriented in the direction of the scoliotic spine correction. But. in an other hand, cosmetic rib shortening procedures performed on the convex side induce generally unfavorable loads oriented in the direction of the scoliotic process. Opposite results were also obtained when surgeries were simulated at the anterior or posterior rib extremities (respectively, close to the costo-chondral or the costo- vertebral joints).

A complementary study was also made to compare the correction mechanisms of the Cotrel-Dubousset spine instrumentation and the costoplasty procedures. Results showed that the vertebral load patterns are very similar in the frontal and transverse planes at the thoracic apex for both kind of surgeries. Hybrid approaches that combines the two techniques highlighted that ribs are the location of important load transfers during the surgical treatments of scoliosis. Depending on the remaining growth potential of the patients, such procedures may modify the spine equilibrium and counteract the scoliotic progression. When used under well defined indications, the costoplasty simulations confirmed that these interventions may be useful surgical options to address the cosmetic deformation of the rib cage.

However, some limitations due to the model definition must be taken into consideration when interpreting the results, as the mechanical properties and the boundary conditions. The response variability is mostly affected by the choice of these parameters that defined the biomechanical behavior of the model during costoplasties simulations. In addition, the rib and vertebral growth was not included and only the immediate effect of the surgeries was evaluated.

Finally, this biomechanical investigation has strongly highlighted the clinical potential and the usefulness of costoplasty for the treatment of scoliosis. The modeling approach that has been developed in this study might be used in the future to virtually test surgical treatments on the rib cage and help orthopedic surgeons to better understand the correction mechanisms involved with such procedures. This tool can be used to analyze novel surgical concepts that could not be tested directly on patients for ethic concern. Further refinements may also allow to better assess the biomechanical role of the rib cage that is often only considered in a second hand after the spine during scoliosis surgical treatments.