La scoliose est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Les cas les plus sévères sont généralement traités par instrumentation chirurgicale et fusion vertébrale. Depuis l'introduction des récents systèmes d'instrumentation du rachis, les chirurgiens possèdent désormais plusieurs possibilités pour réaliser leur chirurgie, notamment par la diversité des implants et des manœuvres peropératoires. Par conséquent, la complexité de la prise de décision des chirurgiens a considé- rablement augmenté.

Cette étude se divise en deux parties:​ la première est de documenter, d'analyser et de classifier les stratégies préopératoires d'instrumentation de déformations scoliotiques. Par la suite, la seconde partie est d'évaluer l'effet de différentes stratégies d'instrumentation chirurgicale sur les mêmes patients scoliotiques.

Dans la première partie, 32 chirurgiens de la Scoliosis Research Society et membres du Spinal Deformities Study Group nous ont fourni des planifications d'instrumentation postérieure détaillées à l'aide d'un formulaire graphique et de radiographies cliniques préopératoires sur cinq patients scoliotiques. En particulier, chaque chirurgien nous a proposé les paramètres chirurgicaux suivants:​ la localisation et le type d'implants, la trajectoire des vis, la forme de la tige, les manœuvres peropératoires, etc. Dans la seconde partie, dix stratégies d'instrumentation de la partie précédente ont été simulées par patient en utilisant un "simulateur de chirurgie d'instrumentation du rachis" (S3). Le modèle est personnalisé à la reconstruction 3D des cinq patients. Une fonction-objectif est utilisée pour mesurer la correction globale de chaque stratégie. d'instrumentation chirurgicale sur les mêmes patients scoliotiques.

L'étude de variabilité des stratégies d'instrumentation montre que le nombre d'implants utilisés s'est étendu de 8 à 30 par patient (16±6):​ 71% étaient des vis mono- axiales, 20% des vis multi-axiales et 9% des crochets. Les niveaux supérieurs et inférieurs d'instrumentation sur le rachis varient jusqu'à 6 niveaux. Les classes suivantes de stratégies d'instrumentation ont été trouvées:​ A-"Vis seulement" (35% de vis mono- axiales, 9% de vis multi-axiales, 9% combiné, etc.) N_A=103, 66%;​ B-"Crochets seulement" N_B-5, 3%;​ C-"Combiné vis-crochets" (8% crochets sur la vertèbre supérieure instrumentée, 12% crochets thoraciques-vis mono-axiales lombaires, 4% crochets thoraciques-vis multi-axiales lombaires, etc.) N_C-48, 31%. d'instrumentation chirurgicale sur les mêmes patients scoliotiques.

Pour l'évaluation biomécanique des stratégies d'instrumentation, les indices géométriques (numériques) mesurés varient pour les cinq cas (i.e.:​ angle de Cobb thoracique:​ 5-17°, 16-29°, 25-44°, 15-34°, 16-32°;​ cyphose:​ 22-33°, 20-54°, 33-55°, 24- 49°, 29-46°, lordose:​ 10-52°, 24-38°, 26-54°, 8-28°, 34-53°). Globalement, la correction 3D moyenne était meilleure dans le groupe "Vis pédiculaires seulement" (71%) que dans les groupes "Crochets seulement" (51%) et "Combiné vis-crochets" (67%). Les divers niveaux de fusion ont produit une différence importante de correction.

Il existe une grande variabilité de stratégies d'instrumentation préopératoire parmi des chirurgiens-orthopédistes expérimentés. Elle peut être attribuée aux différents objectifs de correction, aux préférences du chirurgien et au manque de stratégies d'instrumentation standardisées. Cette variabilité d'instrumentation entraîne des résultats chirurgicaux assez différents dépendant des cas scoliotiques. Pour une première fois, l'effet de stratégies d'instrumentation sur les mêmes patients scoliotiques a été évalué, ce qui est possible seulement avec un simulateur de chirurgie d'instrumentation du rachis. L'impact de tels choix sur les résultats chirurgicaux est questionné et requiert des études multicentriques cliniques, biomécaniques et de simulations numériques. Ceci remet en cause les critères pour les configurations et les normes optimales pour concevoir objectivement la meilleure stratégie d'instrumentation chirurgicale. Cette étude illustre bien l'intérêt d'un simulateur de chirurgie pour évaluer et perfectionner la planification d'instrumentation chirurgicale.

Scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine which severe cases are usually treated by spinal instrumentation and fusion. Since the introduction of recent advanced instrumentation systems, the surgeon has a wide range of possibilities to achieve the surgery, such as various implants, diverse rod shape possibilities as well as intraoperative reduction maneuvers. Hence, the complexity of their surgical decision- making process has considerably increased.

The purpose of this study is twofold:​ the first part aims to document, analyze and classify the preoperative planning strategies for the posterior instrumentation of scoliotic spines. Afterward, the second part is to use a computer assisted surgery simulator to evaluate the effects of different instrumentation constructs and fusion levels for the same scoliotic cases.

In the first part of the project, 32 experienced fellows of the Scoliosis Research Society and members of the Spinal Deformities Study Group provided the detailed preoperative planning for five AIS patients with various scoliotic. curves. Instrumentation planning of each surgeon was done using a graphical worksheet. In particular, each surgeon was required to individually provide the following parameters:​ implant locations, implant types, individual screw trajectory, rod shape, parameters for each individual rod insertion and maneuvers, etc. In the second part, ten strategies selected from the previously study were individually simulated using a biomechanical model implemented in a "spine surgery simulator" (S3). The model was personalized to the patient using 3D reconstruction of each spine. A cost function that included six 3D descriptors of the scoliotic deformities was used to quantify the global spinal correction for each specific strategy.

The study of instrumentation strategy variability showed that the number of implants given ranged from 8 to 30 per patient (16±6):​ 71% of these were mono-axial screws, 20% multi-axial screws and 9% hooks. The selected superior and inferior instrumented vertebrae varied up to 6 levels. The following classes of strategies were determinate:​ A- "Screws only" (35% mono-axial screws, 9% multi-axial screws, 9% combined, etc.) N_A=103, 66%;​ B- "Hooks only" N_B-5, 3%;​ C- "Combined Hooks-Screws" (8% hook on upper instrumented vertebra, 12% hooks thoracic - mono-axial screws lumbar, 4% hooks thoracic - multi-axial screws lumbar, etc.) N_C=48, 31%.

For the biomechanical assessment of instrumentation strategy study, the resulting geometrical indices varied for the 5 cases (e.g.:​ Cobb angle thoracic:​ 5-17°, 16-29°, 25- 44°, 15-34°, 16-32°;​ kyphosis:​ 22-33°, 20-54°, 33-55°, 24-49°, 29-46°, lordosis:​ 10-52°, 24-38°, 26-54°, 8-28°, 34-53°). The average 3D correction was better with pedicle screws constructs (71%) than with hooks constructs (51%) and hybrid constructs (67%). The different fusion levels produced an important difference on the resulting correction.

There exists a large variability of pre-operative instrumentation strategy in AIS within experienced orthopedic spine surgeons. It may be attributed to different objectives for correction, to personal surgeon's preferences and to the current lack of clearly defined strategies with modern instrumentation systems. Based on our results, this variability of instrumentation strategies within experienced surgeons produced rather different results. This study compares for the first time the effect of instrumentation strategies on the same patients, which is possible only with such a spine surgery simulator. This questions the criteria for optimal configuration and standards to objectively design the best surgical construct. A spine surgery simulator represents a powerful analytical tool to rationalize the surgical operations and thus provide optimal surgery results for a specific patient.