La scoliose est une deformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertebrale et de la cage thoracique. Dans les cas les plus severes, une intervention chirurgicale avec instrumentation peut s'averer necessaire. Le choix de la strategie d'instrumentation est une etape importante qui a un impact significatif sur les resultats de l'intervention. Dans ce contexte, une recente etude a revele une grande variabilite dans les choix des strategies d'instrumentation sur des patients scoliotiques au sein d'un groupe de 32 chirurgiens experimentes. Ceci remet en cause la complexite de la prise de decision des chirurgiens et les normes optimales qui permettent de concevoir objectivement la meilleure strategie d'instrumentation chirurgicale.

Cette etude se divise en trois parties:​ la premiere a consiste a documenter et a analyser les objectifs de correction chirurgicale pour des deformations scoliotiques. La seconde partie a vise a developper une methode d'optimisation afin de determiner une configuration operatoire optimale permettant une meilleure correction 3D du rachis scoliotique. La troisieme partie a consiste a etudier l'effet de la variabilite des objectifs de correction chirurgicale sur les strategies d'instrumentation.

Dans la premiere partie, deux questionnaires ont ete concus et soumis a cinquante chirurgiens experts du Spinal Deformity Study Group (SDSG) qui sont egalement membres de la Scoliosis Research Society. 25 chirurgiens ont repondu au premier questionnaire qui a evalue les objectifs de correction globaux, alors que 10 ont repondu au deuxieme questionnaire qui s'est concentre sur les objectifs specifiques de correction pour chacun des types de courbures scoliotiques (selon la classification de Lenke :​ 6 types de courbures) et dans chacun des trois plans anatomiques. En particulier, vingt differents parametres geometriques decrivant la deformation tridimensionnelle du rachis ont ete evalues et ordonnes selon l'ordre d'importance de chaque chirurgien dans le but d'obtenir une correction 3D optimale. Dans la seconde partie, la methode d'optimisation a ete basee sur un plan d'experience « uniform design » utilisant six parametres d'instrumentation (limites superieure et inferieure du segment instruments, les vertebres instrumentees, la forme de la tige, le nombre et le type d'implants). Une fonction objectif decrivant les objectifs de correction dans les trois plans anatomiques et orientee a minimiser le nombre de niveaux instrumentes a ete utilisee. L'approche d'optimisation specifie les points dans l'espace de design pour lesquels la valeur de la fonction objectif a ete evaluee. 702 configurations chirurgicales ont ete simulees informatiquement en utilisant un modele biomecanique personnalise a un patient scoliotique implante dans un simulateur de chirurgie du rachis (S3). Dans la troisieme partie, onze chirurgiens experts du Spinal Deformity Study Group ont fourni leurs objectifs de correction pour le meme patient scoliotique. Ces objectifs de correction ont ete utilises comme des ponderations de la fonction objectif dans la methode d'optimisation. Onze strategies chirurgicales optimales pour le meme patient ont ete obtenues. La relation entre les objectifs de correction et les strategies chirurgicales optimales obtenues a ete evaluee.

L'evaluation globale des objectifs de correction de la scoliose idiopathique adolescente (SIA) a montre que les chirurgiens sont unanimement d'accord sur le fait que l'equilibre sagittal et coronal sont les parametres les plus importants pour obtenir une correction 3D optimale. La rotation de la vertebre apicale a ete le parametre le moins important. Pour les autres parametres, une assez grande discordance a ete trouvee dependamment des types de courbures et des chirurgiens. Les resultats pour les parametres individuels ont ete en accord avec les poids donnes pour la correction 3D optimale dans les plans coronal (36%) et sagittal (34%). Pour les 10 chirurgiens qui ont repondu au second questionnaire, la mobilite a ete plus importante pour les courbures de type Lenke 3-6 que pour les types 1-2 (p<0.032). Le plan coronal a ete plus important pour les courbures de type Lenke 2 et 4 que pour les autres types de courbures (p<0.032).

Pour l'optimisation de la strategic operatoire, la strategic optimale trouvee utilise seulement des vis comparativement a la strategic reelle qui utilise une approche hybride (vis+crochets) et qui comporte deux implants de moins (8 vs 10) et un niveau de fusion de moins (10 vs 11) que la chirurgie reelle. Les resultats de la troisieme partie ont montre que le nombre optimal d'implants pour les onze chirurgiens s'etend de 8 a 13 pour un meme patient. Les niveaux superieur et inferieur d'instrumentation sur le rachis varient jusqu'a 7 niveaux. Les niveaux fusionnes (T4-L2, T2-L4, T5-L1, etc), la forme de la tige et l'emplacement des implants sur le rachis varient aussi d'un chirurgien a l'autre selon leurs objectifs de correction. Les angles de Cobb, la cyphose, la lordose ainsi que l'orientation du plan de courbure maximum varient pour les onze strategies optimales simulees.

En conclusion, il existe une grande variabilite entre les objectifs de correction chirurgicale de la scoliose. Ceux-ci dependent des chirurgiens et des types de courbures. Comparativement a la strategic reelle, la strategic dite optimale permettait de diminuer les niveaux de fusion et le nombre d'implants tout en conservant la correction. Pour un meme patient, differents objectifs de correction produisent differentes strategies operatoires optimales. Pour une premiere fois, l'effet des objectifs de correction chirurgicale des chirurgiens sur les strategies d'instrumentation sur le meme patient a ete evalue, ce qui est possible seulement avec notre methode d'optimisation en utilisant un simulateur de chirurgie d'instrumentation du rachis. Cette etude montre qu'il existe une strategic optimale pour un patient dependamment du chirurgien mais nous ne pouvons conclure que c'est la meilleure etant donne les differents objectifs de correction des chirurgiens. Cette etude met egalement l'accent sur la necessite d'un protocole de decision afin de reduire au minimum la subjectivite et la variabilite des objectifs de correction lors de l'instrumentation de patients atteints de scoliose idiopathique.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional (3D) local and global deformation of the spine, which may require spinal instrumentation and fusion for severe deformities. In recent years, many changes have occurred for the surgical treatment of scoliosis. With contemporary advanced instrumentation systems and techniques, the surgeon has a wide range of choices to achieve the goals of surgery, such as various implant types, diverse rod material, diameter and shape possibilities as well as many intraoperative reduction manoeuvres. The surgical decision-making process has considerably increased in complexity, with many on-going controversies and debates over the choices of fusion levels, the proper guidelines for surgical correction and the choice of the instrumentation system. A recent study has documented a large variability in AIS instrumentation strategies in a group of experienced spine surgeons. Different instrumentation strategies and selection of fusion levels were noted according to the curve type pattern. This variability reinforces the need for standardized posterior instrumentation strategies.

The objective of this study is threefold:​ the first aims to document and analyze 3D surgical correction goals for AIS as determined by a sample of experienced spine surgeons. Afterward, the second part aims to develop an optimization method, personalized to the specific correction objectives of a given surgeon, and to determine the most favourable surgical instrumentation strategy using a computer model implemented in a spine surgery simulator (S3). The third part aims to examine the effects of correction objectives on the optimal instrumentation strategy

In the first part of the project, fifty surgeons from the Spinal Deformity Study Group were surveyed and asked to rank 20 parameters of scoliosis correction and to provide weights for correction in the coronal, sagittal, and transverse planes and for mobility (number of unfused vertebrae) according to their importance for an optimal 3-D correction. Responders were also asked to complete a more detailed survey where the correction objectives were assessed for each of the 6 Lenke curve types. In the second part, an optimization method using six instrumentation design parameters (e.g. limits of the instrumented segment, number, type and location of implants and rod shape) that were manipulated in a uniform experimental design framework was linked to a patient-specific biomechanical model. 702 surgical configurations iteratively were simulated using S3. Each configuration was assessed using an objective function that represented different correction objectives (to maximize) in the three anatomic planes and was oriented to minimize the number of instrumented levels. The relative weights of the objective function were defined by a spine surgeon according to his objectives for correction of scoliosis. An interpolation technique was used to build an approximation model from the simulation results and to locate instrumentation parameters minimizing the objective function. In the third part, eleven surgeons from the Spinal Deformity Study Group independently provided their respective correction objectives for the same patient (Lenke 2B curve type). For each surgeon, the optimization approach was used and the optimal strategy was found for the same patient. The influence of the eleven different correction objectives on the optimal surgical strategy was then evaluated.

For the assessment study of the scoliosis correction objective in AIS, twenty-five surgeons completed the first questionnaire. There was an overall agreement that sagittal and coronal balance were the most important parameters for an optimal correction. Apical vertebral rotation was the least important. All other parameters were highly variable. Results for individual parameters were in agreement with the weights given for an optimal 3D correction in the coronal (36%) and sagittal (34%) planes. A sub group of ten surgeons completed the second survey. Mobility was more important for the Lenke curve types 3-6 than for types 1-2 (p<0.032). The coronal plane was more important for curve types 2 and 4 than for the other types (p<0.032).

The optimization study of instrumentation strategies showed that small or no differences in the correction between the simulated optimal strategy and the real post-operative results of the instrumented segments were observed in the three planes. But the same overall correction was obtained by using fewer implants (only screws) and less instrumented levels.

The results of the third part showed that the fusion levels (T4-L2, T2-L4, T5-L1, etc), shape of the rod and the location of implants significantly were influenced by the correction objective strategies (p< 0.05). The optimal number of implants was different (ranging from 8 to 13) and statistically significant (p< 0.05). The resulting Cobb angles, the kyphosis and the lordosis angles as well as the orientation of the plane of maximum deformity varied for the 11 simulated optimal strategies.

In conclusion, there is a large variability in scoliosis correction objectives. The variability is surgeon and curve-type dependent. This study demonstrated the potential and feasibility of using a spine surgery simulator to optimize the planning of surgical instrumentation in AIS for a specific correction objectives surgeon. Different surgeon-specified correction objectives produced different optimal instrumentation strategies for the same patient. A standardized decision-making protocol is required to minimize the inherent variability in defining AIS surgical correction objectives