Scoliosis is a 3D spinal deformity which impacts the morphology and alignment of the spine, the pelvis, and the ribcage. Although several spinal parameters are introduced to identify and evaluate scoliotic curves, there is not much known about the biomechanical relationship between the spine and the pelvis and its impact on the overall posture and equilibrium of the scoliotic patients.

The focus of this Ph.D. project was to investigate the spino-pelvic biomechanical interaction in adolescent idiopathic scoliosis (AIS) more closely. Spine and pelvic kinematic, relative spino-pelvic orientation in static, and lumbosacral biomechanical loading were investigated in subjects with different curve patterns. We hypothesized that spino-pelvic interaction is not only different between AIS and controls, but also varies between subjects with different scoliotic types in static, kinematic, and biomechanical loading. Furthermore the hypothetical effect of the spinal operation on equilibrating the spino-pelvic biomechanical interaction was tested postoperatively.

Hence, after reviewing the pertinent literatures, 3 chapters were devoted to investigate the general hypothesis of this project. Each chapter tries to investigate one aspect of the spine and pelvis interaction in scoliotic subgroups and compares the results with an age-gender match group of controls.

Although the pelvic alignment in the AIS group was different from the age-gender matched control group, it is not closely verified to what extent the pelvic orientation and the spino-pelvic alignment affect the pelvis kinematic in subjects with different curve types and subsequently its impact on the spino-pelvic movement is not determined. An experimental setup was designed to investigate the pelvic 3D motion during simple trunk movement in vivo. 17 right thoracic (RT), 8 right thoracic with compensatory left lumbar curve (RTLL) scoliosis, and 12 controls with no history of spinal disease were recruited. Subjects who had received any sort of treatment by spinal operation or bracing were excluded from the scoliotic group. Several skin markers were attached to specific anatomical landmarks:​ acromions (to define the total range of motion of the trunk) and left and right ASIS and PSIS to analyze pelvic kinematic. Simple trunk movements i.e. flexion/extension, axial rotation, and lateral bending were performed and repeated three times by each participant. Skin markers’ 3D coordinates were registered throughout the experience by an optoelectronic system. Pelvic range of motions (ROM) in the three anatomical planes were computed and compared between the three groups. Pelvic orientation was significantly different during three types of movement between the studied groups (p<0.001). Different pelvic range of motion in the anatomical planes was measured in the studied groups. Pelvic sagittal tilt and pelvic axial rotation were significantly different betwee n the two scoliotic groups (p<0.05). The result suggests that pelvic initial alignment in the three anatomical planes plays an important role in determining the pelvic contribution to the maximum ROM in the scoliotic subgroups.

Although the main focus in diagnosing and evaluating the scoliosis is on the location and severity of the spinal deformities, different published literatures have shown the presence of a significant pelvic obliquity or rotation in scoliosis particularly in subjects with severe curves. However, the relationship between the pelvic orientation and spinal curves in subjects with different types of scoliosis was not characterized yet in 3D. In order to investigate this relationship, the lateral and postero-anterior radiographs of 80 main right thoracic (MT), 80 left thoraco-lumbar/ lumbar (TL/L), and 35 controls were obtained. 3D reconstruction of the spine and pelvis was generated from bi-planar radiographs of each patient. Pelvic 3D alignments were measured by means of the 3D coordinates of the left and right anterior and posterior iliac spine landmarks (ASIS and PSIS). A trapezoid was schemed by connecting these four points. The angle between the projections of the line connecting the midpoint of the ASIS and PSIS on each side on frontal and transverse planes and true horizontal and vertical axes were used to define the pelvic frontal tilt, and pelvic axial rotation respectively. The average pelvic orientation (absolute value) was measured respectively in frontal and transverse planes at 2.6°± 2 [range:​ -6°, 5°] and at 3.8°± 2 [-7°, 8°] in the MT group, and at 3.2°±1 [-8°, 4°] and at 4.4°±2 [-10°, 10°] in the TL/L group. While pelvic frontal tilt correlated to the position of the spinal curve in the frontal plane (the thoracic and lumbar segments) more than 70% of the scoliotic subjects in each group had their main thoracic and pelvis rotated in the same direction in the transverse plane (p<0.05). 91% of the controls had less than 1.8° pelvic obliquity [0°, 3°] and a non-significant 1.2° pelvic axial rotation [0°, 3°] in the transverse plane. The results highlighted a significant correlation between pelvic orientation and both thoracic and lumbar spinal deformities in frontal and transverse planes in the two AIS subgroups.

It was also of interest to show the impact of the altered spino-pelvic orientation on the biomechanical loading of the sacrum in AIS subgroups. The biomechanical impact of the relative spino-pelvic alignment on the sacrum was studied. A finite element model (FEM) was developed to compute the sacral loading in 11 right MT, 23 left TL/L (thoracolumbar/lumbar), and 12 control subjects. The material properties of the vertebrae, intervertebral disks, and ligaments in the model and the position of the center of mass (COM) at the level of each vertebra were derived from the pertinent literatures. The gravitational force was applied at the COM of each vertebral level. An optimization technique was used to assure the maximum similarity between the 3D reconstruction of the digitized radiographs and the FEM after running the simulations. Mechanical loading on the S1 endplate was computed for all the subjects. Compressive stress on the S1 endplate was normalized to the patient weight and was scaled between the maximum and minimum stress magnitude on the S1. The position of the barycentre of the compressive stress distribution on the superior sacrum endplate (COPS1) was determined in each subject. Compressive stress distribution on the sacrum was significantly different between controls and TL/L subjects p<0.05. Although sacral compressive stress distribution was symmetric in MT and controls, in TL/L higher stress was observed at the left side of the sacrum as compared to the right side. Biomechanical loading of the sacrum varied between the AIS subgroups and controls. The biomechanical loading of the sacrum was not only affected by the location of the major curve but it was also modified by the relative spino-pelvic alignment in the scoliotic subgroups.

Even though the previous study highlighted the effect of the spinal deformity on the biomechanical loading of the sacrum in AIS subgroups, the effect of the position of the COM on the results of the FEM simulation was not determined yet. In order to determine the personalized position of the COM in a scoliotic subject a mathematical method was developed to estimate the 3D location of the COM at the level of each vertebra in the scoliotic spine. The developed method consisted of two sections:​ in the first experiment center of pressure (COP) oscillation of 17 RT and 4 RTLL was registered by means of two force plates during 30s of quite stance. Double integration technique was used to calculate the projection of the center of mass on the transverse plane by means of the 2D location of the COP oscillation. In this method the horizontal component of the ground reaction force was double integrated to estimate the location of the oscillating mass i.e. COM of the subject in the transverse plane. A linear regression analysis correlated the position of the COP and the 2D position of the COM in the transverse plane in the cohort of subjects. This regression equation was used in the second experiment to transfer the position of the COP to the COM in a series of synchronized COP and X-ray data attained in 9 other AIS patients. An optimization method was applied to optimize the location of the COM of each trunk slice in the frontal and sagittal planes (from literature) in such way that the distance between the resultant COM from the optimization method and the COM from the regression equation was minimized. As the result of the optimization showed, the net position of the COM after optimization was closer to the midpoint of the femoral heads axis as compared to the same distance before operation. 26% decrease in the anterior-posterior position and 15% decrease in the medial-lateral position in the distance between the COM and center of the femoral heads axis after the optimization process were calculated. The optimized position of the COM was applied in the FE model and the mechanical loading of the sacrum was calculated for the latter 9 subjects. Although the magnitude of the normalized stress on the sacrum was reduced after the optimization of the COM position in the FEM, no significant difference was observed in the general trend of the stress distribution on the sacrum. The proposed algorithm made it possible to assess the personalized position of the COM at the level of each vertebra in scoliotic subjects during routine clinical visits. The proposed method was applicable in the biomechanical simulation of the scoliotic spine and permitted to better analyze the biomechanical loading of the spine in patient-specific FE models.

Finally a case study was performed to analyze the effect of the spinal surgery on the biomechanical loading of the sacrum in subjects with different types of scoliosis. 5 right MT and 4 right thoracic/ left lumbar, who had undergone their first posterior spinal fusion with an average follow-up of 16 months [12-18 months] were selected. The bi-planar radiographs of 12 asymptomatic subjects were added as the control group. Several spine and pelvic morphological and biomechanical parameters (thoracic and lumbar Cobb angles, kyphosis, lordosis, pelvic incidence, pelvic tilt, sacral slope, and the position of the COM and the COP S1) were measured before and after operation in all subjects. The correlation between spine and pelvic parameters were calculated in controls and pre- and post- operative AIS. The position of the COPS1 was significantly different between pre-operative and control subjects (p<0.05) while no such difference was observed between the post-operative subjects and controls. The application of both spino-pelvic biomechanical and morphological parameters permitted to evaluate the biomechanical outcome of the surgical instrumentation of the spine. The effect of the spinal surgery on equilibrating the biomechanical loading of the sacrum and making it more similar to the values observed in controls was shown in the post-operative group.

In summary, the current thesis investigated different aspects of the spino-pelvic interaction in selected scoliotic subgroups in 3D. The results highlighted the interactive relationship between the spine and pelvis in AIS subgroups before and after operation. Considering the spino-pelvic relative interaction as a characteristic of each scoliotic subgroup is beneficial in the treatment and assessment of the AIS.

La scoliose est une déformation 3D de la colonne vertébrale qui influence la morphologie et l'alignement de la colonne vertébrale, du bassin et de la cage thoracique. Bien que plusieurs paramètres soient introduits pour identifier et évaluer les courbes chez les sujets scoliotiques, la relation biomécanique entre la colonne vertébrale et le bassin ainsi que ses impacts sur la posture et l'équilibre général des sujets scoliotiques n’est pas encore élucidée.

Le but de ce projet doctoral était d'examiner l'interaction spino-pelvienne en mesurant les paramètres biomécaniques chez les sujets atteints de scolioses idiopathiques adolescentes (SIA). La cinématique pelvienne, l'orientation spino-pelvienne relative et le chargement biomécanique lombo-sacré ont été examinés chez des sujets avec des courbures différentes. L’hypothèse que nous souhaitons vérifier est que l'interaction spino-pelvienne (au niveau des paramètres statiques, cinématiques et des chargements biomécaniques à l’interface entre le rachis et le bassin) est non seulement différente entre les SIA et les contrôles, mais varie aussi entre les sujets présentant différents types de scolioses. De plus, l'effet d’une instrumentation chirurgicale du rachis sur l’équilibre ainsi que sur l'interaction biomécanique spino-pelvienne a été étudié post opérativement.

Donc, après avoir examiné la littérature pertinente, trois chapitres ont été consacrés pour examiner l'hypothèse générale de ce projet. Chaque chapitre aborde un aspect de l'interaction spino-pelvienne chez les sous-groupes scoliotiques et compare les résultats avec un groupe de contrôles de la même catégorie d'âge-sexe.

Bien que l'orientation pelvienne entre les sujets SIA et le groupe contrôle était différente, il n'est pas vérifié dans quelle mesure l'orientation pelvienne et l'alignement spino-pelvien affectent la cinématique du bassin chez les sujets présentant différents types de courbures. Par la suite, l’interférence entre l'orientation du bassin et le mouvement spino-pelvien a été étudiée. Un protocole expérimental a été conçu pour examiner le mouvement pelvien en 3D lors du mouvement du tronc in vivo. 17 sujets avec scoliose thoracique droite (TD), 8 sujets avec une scoliose thoracique droite et une courbure compensatoire lombaire gauche (TDLG), et 12 contrôles sans aucune histoire de maladie rachidienne ont été recrutés. Les sujets ayant reçu un traitement par corset ou chirurgical ont été exclus. Plusieurs marqueurs ont été attachés sur la peau à des points anatomiques spécifiques:​ acromions (pour définir la gamme tota le de mouvement du tronc) et ASIS et PSIS gauches et droits pour analyser la cinématique pelvienne. Les mouvements de tronc, c.-à-d. la flexion/extension, la rotation axiale et la flexion latérale ont été exécutés et ont été répétés trois fois pour chaque participant. Les coordonnées 3D des points anatomiques ont été engegistrées avec un système opto-électronique. Les amplitudes des mouvements pelviens (le ROM) dans les trois plans anatomiques ont été calculées et ont été comparées entre les trois groupes. D’après les résultats, l'orientation pelvienne était différente de manière significative pour les trois types de mouvement entre les groupes étudiés (p<0,001). La contribution du mouvement pelvien au ROM était différente dans les groupes étudiés. La pente sagittale pelvienne et la rotation axiale pelvienne étaient également significativement différentes entre les deux groupes de sujets scoliotiques (p<0,05). Les résultats ont montré que l'orientation initiale du bassin dans les trois plans anatomiques joue un rôle important dans la détermination de la contribution pelvienne au ROM maximum chez les sous-groupes scoliotiques.

Bien que le but principal du diagnostic et de l'évaluation de la scoliose consiste à déterminer la position et la sévérité des courbures spinales, les différentes études précédemment publiées ont montré la présence d'une déformation pelvienne significative chez les sujets avec une scoliose notamment dans le cas des courbures sévères. Toutefois, la relation entre la déformation pelvienne et les courbures vertébrales chez les sujets avec différents types de scoliose n'a pas encore été caractérisée. Afin d’établir cette relation, les images radiographiques latérales et postéro-antérieures de 80 sujets avec une courbure thoracique droite (TD), 80 sujets avec une courbure thoraco-lombaire/lombaire gauche (TL/L) et 35 contrôles ont été obtenues. La reconstruction 3D de la colonne vertébrale et du bassin a été produite en utilisant les images radiographies biplanaires de chaque sujet. L'orientation 3D du bassin a été mesurée en utilisant les coordonnées 3D des épines iliaques antéro-supérieures et postéro-supérieures (gauches et droites) (ASIS et PSIS). Un trapézoïde a été tracé en connectant ces quatre points. L'angle entre les projections de la ligne qui joint le milieu de l'ASIS et PSIS sur chaque côté sur les plans sagittal, frontal et transverse et les axes horizontal et vertical ont été utilisés pour définir l’orientation pelvienne dans les plans sagittal et frontal et la rotation axiale pelvienne. L'orientation pelvienne moyenne (en valeur absolue) a été respectivement mesurée dans les plans frontal et transverse à 2° [plage 0°, 7°] et 4° [plage 0°, 10°] dans le groupe de TD et à 4° [ plage 0°, 8°] et 5° [ plage 0°, 11°] dans le groupe de TL/L. Alors que l’orientation frontale pelvienne correspondait à la position de la courbe vertébrale dans le plan frontal, c.-à-d. les courbures thoracique et lombaire, plus de 70% des sujets scoliotiques dans chaque groupe ont leur courbure thoracique principale et leur bassin tourné dans la même direction dans le plan transverse (p<0,05). 91 % des contrôles ont moins de 1,8° d'obliquité pelvienne [0°, 3°] sur la vue postéroantérieure avec une rotation axiale pelvienne non significative de 1,2° [0°, 3°] dans le plan transverse. Une corrélation significative a été trouvée entre l'orientation pelvienne et les déformations vertébrales thoraciques et lombaires dans les plans frontal et transverse pour les deux sous-groupes de SIA.

Il était également d'intérêt de montrer si l'orientation spino-pelvienne pour les sousgroupes de SIA interfère avec le chargement biomécanique du sacrum. Par conséquent, l'impact biomécanique de l'alignement relatif spino-pelvien sur le sacrum a été étudié. Un modèle par éléments finis (MÉF) a été développé pour calculer le chargement biomécanique du sacrum pour 11 scolioses TD, 23 scolioses TL/L gauche et 12 sujets contrôles. Les radiographies des sujets ont été utilisées pour développer les reconstructions 3D de la colonne, du bassin et de la cage thoracique. Les propriétés mécaniques des vertèbres, disques intervertébraux et ligaments et la position du centre de masse (CDM) au niveau de chaque vertèbre dans le modèle proviennent de données pertinentes publiées. La force de gravité a été appliquée à niveau de chaque vertèbre. Une méthode d'optimisation a été utilisée pour assurer la similarité maximale entre la reconstruction 3D à partir des radiographies et le MÉF après les simulations. Le chargement mécanique sur S1 a été calculé pour tous les sujets. Les forces de compression sur S1 ont été normalisées par rapport au poids du patient et ont été graduées entre les magnitudes maximale et minimale de la compression sur S1. La position du barycentre de la distribution des contraintes sur le sacrum (CDPS1) a été déterminée pour chaque sujet. D’après les résultats, la distribution des contraintes compressives était différente de manière significative entre les contrôles et les sujets TL/L (p<0,05). Bien que la distribution des contraintes était symétrique pour les sujets TD et les contrôles, chez les sujets TL/L une contrainte plus élevée a été observée du côté gauche du sacrum comparé au côté droit. Les résultats montrent donc que le chargement biomécanique du sacrum a varié pour les sous-groupes de scoliose et les contrôles. Le chargement biomécanique du sacrum n'a pas été seulement affecté par la position de la courbure scoliotique majeure mais il a aussi été modifié par l'alignement relatif spino-pelvien pour les sous-groupes scoliotiques.

Bien que l'étude précédente a souligné l'effet de la déformation vertébrale sur le chargement biomécanique du sacrum pour les sous-groupes de SIA, l'effet de la position du CDM sur les résultats de la simulation de MÉF n'a pas encore été déterminé. Afin de determiner la position du CDM chez un sujet scoliotique, une méthode mathématique a été développée. L'oscillation du centre de pression (le CDP) de 17 sujets TD et 4 sujets TDLG a été enregistrée au moyen de deux plaques de force pendant 30s en position début. La technique d'intégration double a été utilisée pour calculer la projection du COM sur le plan transverse au moyen de l'emplacement 2D de l'oscillation du CDP. Dans cette méthode, les intervalles entre lesquels la composante horizontale de la force de réaction du sol était égale à zéro étaient doublement intégrées pour estimer la position de la masse oscillante c.-à-d. le COM du sujet. Une analyse linéaire de régression a associé la position du CDP et la position 2D du CDM dans le plan transverse pour la cohorte de sujets scoliotiques. Cette équation a été utilisée pour transférer la position du CDP à la position de CDM dans les CDP-radiographies synchronisés qui ont été enregistrés pour neuf autres sujets scoliotiques. Une méthode d'optimisation a été appliquée pour calculer la position du CDM de chaque tranche de tronc dans les plans frontal et sagittal afin que la distance entre le CDM résultant de la méthode d'optimisation et le CDM de l'équation de régression soit minimisée. Les résultats de l'optimisation ont montré que la position nette du CDM après l'optimisation était plus proche du centre de la tête fémorale qu’avant l'optimisation (26% dans la position antéro-postérieure et 15% dans la direction médio-latérale). La position optimisée du CDM a été appliquée dans le MÉF et le chargement mécanique du sacrum a été recalculé pour les neuf sujets scoliotiques. Bien que la magnitude de la contrainte normalisée sur le sacrum ait été réduite après optimisation de la position du CDM, aucune différence significative n’a été observée au niveau de la tendance générale de la distribution de contraintes sur le sacrum. L'algorithme proposé a rendu possible l’évaluation de la position personnalisée du CDM au niveau de chaque vertèbre pour les sujets scoliotiques. La méthode proposée était applicable pour la simulation biomécanique du rachis scoliotique et a permis d'améliorer l'évaluation du chargement biomécanique de la colonne vertébrale dans les modèles ÉF des patients.

Enfin, une étude de cas a été effectuée pour analyser l'effet de la correction chirurgicale de la scoliose sur le chargement biomécanique du sacrum chez les sujets avec différents types de déformations scoliotiques. Cinq sujets TD et quatre sujets thoracique droit/lumbaire gauche (TD/LG) qui avaient subi leur première chirurgie avec un suivi moyen de 16 mois [12-18 mois] ont été choisis. Les radiographies biplanaires de 12 sujets asymptomatiques ont été ajoutées comme le groupe contrôle. Plusieurs paramètres morphologiques et biomécaniques du rachis et du bassin (les angles de Cobb thoraciques et lombaires, cyphose, lordose, CDM, incidence pelvienne, la pente pelvienne, la pente sacrée et la position de CDPS1) ont été mesurés avant et après l'opération pour tous les sujets scoliotiques. La corrélation entre les paramètres spinaux et pelviens a été calculée pour les contrôles et les sujets avec SIA pré- et post- opération. Comme les résultats l’ont indiqué pour la position du CDM et CDPS1, en plus des autres paramètres du rachis, c.-à-d. les angles de Cobb thoraciques et lombaires, étaient significativement différents entre les groupes SIA et les contrôles avant opération (p<0,05). Après l’opération, les angles de Cobb thoracique et lombaire étaient différents de manière significative entre les groupes scoliotique et les contrôles (p<0,05). La position du CDPS1 était différente de manière significative entre les sujets préopératoires et contrôles (p<0,05) alors qu'aucune différence n’a été observée entre les sujets contrôles et les sujets SIA après l’opération. Ces résultats montrent que la correction chirurgicale de la scoliose a tendance à normaliser les contraintes au niveau du sacrum. De plus, l'effet de la chirurgie d’instrumentation sur l’équilibre du chargement biomécanique du sacrum a été montré dans le groupe de sujets scoliotiques après la chirurgie.

En résumé, la thèse actuelle a examiné différents aspects de l'interaction spino-pelvienne pour les sous-groupes scoliotiques en 3D. Les résultats ont souligné les interactions biomécaniques entre le rachis et le bassin pour les sous-groupes SIA avant et après l’instrumentation chirurgicale. Considérer l'interaction relative spino-pelvienne comme une caractéristique de chaque sous-groupe de sujets scoliotiques pourrait s’avérer avantageux pour le traitement et la correction de la SIA.