Dans le cas de pathologies sévères de la colonne vertébrale telles la scoliose, fractures, tumeurs, etc., une intervention chirurgicale d’instrumentation peut être considérée. Le positionnement du patient sur la table d’opération est important afin d’assurer ses fonctions physiologiques et de le maintenir stable pendant l’intervention. Par ailleurs, le positionnement permet d’améliorer et faciliter l’exécution des manœuvres chirurgicales et l’instrumentation du rachis. À cet effet, un système de positionnement a été développé à l’École Polytechnique et au CHU Sainte-Justine pour les chirurgies de la colonne vertébrale scoliotique pratiquées dans la position en décubitus ventral le « MultiFunctional Positionning Frame » (MFPF). Ce système comporte plusieurs composantes permettant de manipuler et positionner les membres du patient afin de corriger les déformations du rachis et/ou de le manipuler pour modifier la position relative des vertèbres.

Le présent projet de maîtrise avait pour objectif principal de réingénier le système MFPF pour permettre le positionnement et le transfert dans deux positions opératoires, à savoir en décubitus ventral et latéral, et d’étudier les performances de ce nouveau système.

Ainsi, les objectifs spécifiques du projet étaient de :​

• Modifier le design du système de positionnement MFPF afin d’améliorer la cinématique des mouvements des membres inférieurs en décubitus ventral, l’adapter aux chirurgies par abord antérieur et permettre le retournement d’une position à l’autre;​
• Adapter le design afin de permettre des manipulations du rachis par l’entremise de déplacements des membres inférieurs, soit la flexion en position ventrale et l’inflexion latérale en décubitus latéral;​
• Modéliser le positionnement et les manipulations du nouveau système de positionnement afin d’évaluer la biomécanique de paramètres de positionnement.
• Tester expérimentalement la fonctionnalité du nouveau design.

Afin de répondre à ces objectifs, un prototype de système de positionnement a d’abord été développé et fabriqué à partir du système MFPF existant, en passant par l’élaboration d’un prototype virtuel et des dessins techniques des pièces et assemblages. Parallèlement, le positionnement et les manipulations induits par le système ont été simulés grâce à un modèle par éléments finis de la colonne vertébrale et des structures impliquées dans le positionnement d’un patient pour une chirurgie de scoliose.

Ces deux outils ont ensuite été évalués expérimentalement. Cette évaluation a débuté par la confrontation du modèle à des données extraites de la littérature lors de manipulations semblables à celles simulées. Puis, 5 volontaires sains ont participé à des tests expérimentaux conduits au centre de recherche du Centre Hospitalier Universitaire Sainte Justine, avec l'approbation des comités d'éthique de la recherche de l'hôpital et de l'École Polytechnique de Montréal.

Trois différents tests ont été réalisés afin d'évaluer les effets de l’utilisation du système et l’adéquation du modèle avec les données expérimentales:​

• Le premier test avait pour objectif d’évaluer la facilité d’utilisation du système ainsi que l’effet des manipulations dans le plan frontal sur les courbures de la colonne.
• Le 2e test visait à déterminer l’effet du niveau d’inflexion en décubitus latéral sur les modifications de courbures.
• Le 3e test avait pour objectif d’évaluer dans quelle mesure les modifications effectuées permettent l’amélioration de la cinématique du système de positionnement des jambes en décubitus ventral.

Le positionnement des sujets asymptomatiques sur le système en décubitus latéral sans inflexion a fait apparaître trois courbures le long de la colonne vertébrale :​ la plus importante avec une concavité vers le haut au niveau thoraco-lombaire encadrée de deux contre-courbures de moindre amplitude, aux niveaux thoracique proximal et lombo-sacré, à concavité vers le bas. Lors d’une inflexion de 40°imposée au système, la courbure est généralement concave vers le bas. Chaque sujet a présenté une courbure convexe à un niveau différent de la colonne thoracique et thoracolombaire, d’amplitude variant avec la flexibilité, puis les valeurs des angles induits augmentent graduellement pour atteindre leur maximum au niveau de la jonction lombo-sacrée. Pour une flexion maximale du système en DV le pourcentage de la flexion transmise aux cuisses par le système a augmenté de 30%, cependant lors de la flexion à 40°, la modification de la courbure lordotique du bas du dos ne semble pas plus importante lors de la manipulation sur du SMCR que celle du MFPF à l’observation externe.

Les simulations des manipulations ont en général été surévaluées par rapport aux mesures sur les 5 sujets de l’étude expérimentale, avec des différences maximales de 7° et 17° aux niveaux thoracolombaire et lombosacré respectivement.

Les sujets ont rapporté être confortables dans la position neutre en décubitus latéral et ventral. Lors de la manipulation frontale, les sujets ont rapporté ressentir une pression plus importante mais ne causant pas d’inconfort pendant la durée limitée du test (environ 20 minutes) au niveau supporté par le coussin du bassin. La distance entre les supports du thorax et de la tête causait parfois un inconfort au niveau du cou. Lorsque la flexion du support des cuisses dépassait 15°, la flexion au niveau des genoux augmentait le sentiment de sécurité.

Dans les deux positions testées, il a été possible d’effectuer des manipulations afin de modifier les courbures de la colonne vertébrale. Le passage d’une position à l’autre est relativement simple.

Le modèle par éléments finis, personnalisé à la géométrie d’un sujet particulier, représente les principaux tissus musculo-squelettiques et ligamentaires du tronc et des membres inférieurs. Suite à quelques modifications pour en améliorer la performance, il permettra de simuler l’effet du positionnement en décubitus latéral et des manipulations dans le pan frontal.

In the case of severe pathologies of the spine such as scoliosis, fractures, tumors, etc., instrumentation surgery may be considered. Patient positioning on the operating table is important to ensure physiological functions and conserve stability during surgery. Furthermore, the surgical position can improve and facilitate the execution of surgical manoeuvres and instrumentation of the spine. To this end, a positioning system was developed at École Polytechnique and Sainte-Justine University Hospital for surgery of the scoliotic spine performed in the ventral decubitus position—the "Multi-Functional Positioning Frame" (MFPF). This system has several components that can be used to manipulate and position the patient's limbs in order to correct spinal deformations and/or manipulate the spine in order to change the relative position of the vertebrae.

The main objective of this thesis project was to re-engineer the MFPF to allow for positioning and transfer in two operating positions, namely in the ventral and lateral decubitus positions, and to study the performance of this new system. Thus, the specific objectives of the project were to:​

• Modify the design of the MFPF positioning system in order to improve the kinematics of the lower limbs in the ventral decubitus position, adapt the system for anterior approach surgeries and allow for the transfer from one position to the other;​
• Adapt the design to allow manipulation of the spine through movement of the lower limbs:​ flexion in the ventral decubitus position and lateral bending in the lateral decubitus position;​
• Model the positioning and manipulation of the new positioning system to assess the biomechanics of various positioning parameters;​
• Experimentally test the functionality of the new design.

To meet these objectives, a prototype of the positioning system was developed based on the existing MFPF system, from the development of a virtual prototype and technical drawings of parts and assemblies to manufacture and assembly. Meanwhile, the positioning and manipulation induced by the system were simulated using a finite element model of the spinal column and the adjacent structures involved in positioning a patient for scoliosis surgery.

Both tools were then evaluated experimentally. The evaluation began by comparing the model to data from the literature during manipulations similar to those simulated. Then, five healthy volunteers participated in experimental tests conducted at the Sainte Justine University Hospital Research Center, with the approval of the ethics committees of both the Hospital and the École Polytechnique de Montreal.

Three different tests were performed using experimental data to assess the effects of using the system and the adequacy of the model in this context:​

• The first test was designed to evaluate system usability and the effect of manipulations on the frontal curvatures of the spine in the lateral decubitus position;​
• The second test was designed to determine the effects of the level of inflection in the lateral decubitus position on the changes of curvature;​
• The third test was designed to evaluate the extent to which the modifications made to the system can improve the kinematics of the leg positioning system in the ventral decubitus position.

The positioning of asymptomatic subjects on the system in the lateral decubitus position without inflection led to the formation of three curves along the spine:​ the largest one, which was concave and located at the thoracolumbar level, was flanked by two inverse curves of smaller magnitude at the proximal thoracic and low back levels. With an inflexion of 40°imposed on the system, the curvature was generally convex. Each subject had a concave curvature at a different level of the thoracic and thoracolumbar spine, the amplitude of which varied based on the level of flexibility, and the values of the resulting angles increased gradually to peak at the lumbosacral junction.

When moving from a neutral position to a position of maximum inflexion on both systems (approximately 40°), the flexion in the subject's thighs increased 30% using the SMCR compared with the MFPF. However, when viewed externally, with a 40° flexion, the manipulations on the SMCR did not seem to alter the lordotic curve of the lower back to a greater extent than when the MFPF was used.

The simulated manipulations were generally overvalued relative to measurements on the five subjects in the experimental study, with maximum differences of 7° and 17° at the thoracolumbar and lumbosacral levels respectively.

The subjects reported being comfortable in the neutral lateral and ventral decubitus positions. During frontal manipulations, the subjects reported feeling greater pressure causing no discomfort during the limited duration of the test (approximately 20 minutes) at the level supported by the pelvic cushion. The distance between the thorax and head supports occasionally caused discomfort in the neck. When thigh flexion exceeded 15 °in the ventral decubitus position, the greater bending at the knees on the SMCR increased the subjects' feeling of security.

In both positions tested, it was possible to carry out manipulations in order to modify the curvature of the spine. The transition from one position to another is relatively simple.

The finite element model, customized to the geometry of a particular subject, represents the major musculoskeletal and ligament tissues of the trunk and lower limbs. Following some modifications to improve its performance, the model will enable simulation of the effect of positioning in the lateral decubitus position and of manipulations in the frontal curvatures of the spine.