La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique nécessitant dans ses formes les plus graves une intervention chirurgicale. La colonne vertébrale est alors corrigée à l'aide de tiges ancrées aux vertèbres par des crochets et des vis fixées au travers des pédicules. Ces derniers ne sont pas visibles durant l'opération et le chirurgien doit les situer et trouver leur orientation « mentalement » à partir de la surface postérieure de la vertèbre. 10 à 45 % des vis sont mal placées et une perforation de la paroi corticale pédiculaire peut entraîner des blessures neurales, vasculaires ou viscérales. Deux types d'aide chirurgicale pour placer ces vis existent un logiciel, des systèmes de chirurgie assistée par ordinateur et un matériel, un guide chirurgical. Ils réduisent le nombre de vis mal placées à moins de 10%. Ils nécessitent une planification préopératoire sur un modèle 3D et utilisent soit un recalage informatique ou physique pour suivre une direction de perçage prédéterminée. Par contre, ils nécessitent des appareils supplémentaires en salle d'opération ou sont spécifiques à une vertèbre donnée. Le but de ce projet de maîtrise était donc de concevoir, fabriquer et valider un guide chirurgical personnalisé d'aide à l'installation des vis pédiculaires.

Deux guides ont été développés. Le premier se recale sur la vertèbre par un contact surface-surface complet. Un modèle 3D issu d'une reconstruction à partir d'un CT-scan sert à générer un fichier STEP et permet d'importer la géométrie de la vertèbre sur le logiciel de conception assistée par ordinateur CATIA 4.2.0. Un solide est construit par représentation frontalière (« B-Rep ») et le guide est modélisé par primitives solides (« CSG »). Le trou de guidage du foret de perçage est créé avec un cylindre soustrait du guide et aligné avec le pédicule du modèle 3D. La surface d'appui du guide sur la vertèbre est une empreinte de celle-ci. Un fichier STL a été généré pour construire le guide et la vertèbre par prototypage rapide sur une imprimante 3D (Z-402 de Z-Corporation) en poudre de cellulose infiltrée de polyuréthane.

Bien que théoriquement performante, cette solution est limitée par l'imprécision du CT-scan et du procédé de fabrication. De plus, le matériau utilisé n'est ni stérilisable ni biocompatible. L'imprécision des surfaces de contact et la forme irrégulière de la partie postérieure de la vertèbre (surfaces gauches) ne permettent pas d'obtenir un recalage précis et stable, éliminant ainsi la colinéarité entre l'axe de perçage et l'axe du pédicule. Enfin, le protocole de développement et de fabrication est relativement long.

Un second guide a alors été développé. Il utilise un recalage points-surface (4 points) sur l'apophyse épineuse de la vertèbre et deux points d'appuis supplémentaires pour stabiliser le guide sur la vertèbre. Le principe de réglage développé utilise deux groupes de deux vis parallèles entre elles et placées en série pour ajuster la position et l'orientation de perçage dans les plans vertical et horizontal. Pour pouvoir calculer les longueurs de réglage des vis, un programme a été développé, sur Matlab, pour calculer par cinématique inverse six longueurs d'ajustement en se servant de la vertèbre issue de la reconstruction 3D et de la droite de perçage définie par le chirurgien lors de la planification de la chirurgie.

Le second guide, modélisé sous CATIA 4.2.0, est composé de 30 pièces permettant d'assurer quatre fonctions:​ recaler le guide sur la vertèbre, maintenir le guide en place, donner l'orientation de la droite de perçage et guider l'outil du chirurgien. Il se recale sur l'apophyse épineuse et une pince sous-épineuse le maintient en place par l'intermédiaire d'une pince chirurgicale porte implant latéral de Sofamor-Danek. Le guide est fixé à la pince par des vis et des ergots servent à son positionnement lors de l'assemblage. Avant la construction d'un prototype fonctionnel en acier inoxydable, les positions et mouvements relatifs de chaque pièce ont été vérifiés par une analyse cinématique, et un prototype en polycarbonate a été construit par frittage sélectif de poudre.

Des essais expérimentaux ont été effectués par un chirurgien pour le perçage de 70 trous pédiculaires sur 9 colonnes lombaires (L1-L4) synthétiques. 9 trous, sur le niveau L3-D avaient une erreur systématique de placement dû à une erreur d'ajustement du guide. Sur les 61 trous restants, 91.8 % de trous percés sont placés dans le pédicule ou perforent la paroi pédiculaire de moins d'un millimètre (91.4% à gauche et 92.3 % à droite). Le décalage le plus fréquemment observé est un perçage médial (36.1 % des trous). Pour les trous hors pédicule, la hauteur de corde de sortie est une moyenne de 0.89±0.57 mm. Le point d'entrée obtenu avec le guide est similaire au point d'entrée déterminé par la technique de Roy-Camille. Les angles de perçage obtenus avec le guide dans le plan transverse sont similaires aux angles visés. Il s'agit du plan le plus dangereux pour le pédicule car les sorties médiales sont les plus critiques à cause de la proximité de la moelle épinière et des racines nerveuses.

Le second guide développé est la première solution connue utilisant un système de réglage de la droite de perçage par ajustement des vis, permettant ainsi d'avoir un guide générique utilisable sur plusieurs vertèbres lombaires de plusieurs patients ou même d'avoir un guide ajustable pendant l'opération. Son principe de recalage par contact points-surface est unique et diminue les problèmes de configuration de recalage liés à un contact surfacique complet avec des surfaces gauches ayant un faible rayon de courbure.

L'utilisation d'un guide de perçage en chirurgie devrait permettre d'améliorer le taux de placement des vis pédiculaires tout en utilisant un système simple à mettre en place pendant la chirurgie et ne demandant que peu d'étapes au chirurgien autre qu'une exposition complète des surfaces de contact sur la vertèbre (nécessitant en moyenne 35 s de plus par vertèbre qu'une exposition simple) pour obtenir un meilleur recalage. L'utilisation de ce guide n'élimine cependant pas la nécessité de connaître la morphologie du pédicule et d'avoir un savoir-faire dans la pose de vis pédiculaires. Un tel guide permet d'aider le chirurgien en permettant de poser un geste chirurgical systématique et fiable, améliorant ainsi la précision et la sécurité de l'insertion de la vis.

Idiopathic scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine and the rib cage requiring a surgical correction in its most serious forms. During the procedure, the surgeon installs an instrumentation composed of rods attached to the vertebra, with hooks and screws. The latter are inserted through the pedicle, which is not visible during the operation. The surgeon must then mentally locate and find the orientation of the pedicle from the posterior surface of the vertebra. 10 to 45 % of the screws are misplaced and a perforation of the pedicular cortical wall can result in neural, vascular or visceral wounds. Two types of surgical assistance systems exist to place these screws:​ computer-assisted surgical systems (software oriented assistance) and surgical templates (physical oriented). They reduce the number of misplaced screws to less than 10 %. They require a preoperative planning using a 3D model of the vertebra and use a computer or physical-based registration to follow a predetermined direction of drilling. However, they either imply additional apparatus in the operative room or are specific to a given vertebra and patient. Therefore, the goal of this master project was to conceive, manufacture and validate a personalised surgical template for pedicle screw insertion.

Two templates were developed. The first is registered on the vertebra by a complete surface-to-surface contact. From a 3D model built from CT-scan images of the vertebra, a STEP file is generated to import the geometry of the vertebra on a computer-aided design software, CATIA 4.2.0. A solid model is built by boundary representation, and the template is modelled by constructive solid geometry. The bored hole for the drill is modelled by substracting a cylinder aligned with the pedicle of the 3D model. Contact surfaces of the template on the vertebra are a print of the vertebra. A STL file was generated and, the template and vertebra were constructed by rapid prototyping on a 3D printer (Z-402 by Z-Corporation). It is made of infiltrated polyurethane cellulose powder.

Although theoretically powerful, this solution is limited by CT-scan and manufacturing inaccuracies. Moreover, the material used is neither sterilisable nor biocompatible. Contact surfaces are not ruled and it is not possible to get a precise and stable registration, thus eliminating the colinearity between drilling and pedicle axis. Lastly, the development and construction protocol is long.

A second template was developed. It uses four point-to-surface registration locations on the spinous process of the vertebra and two additional points to stabilise the template on the vertebra. The adjustment principle developed uses two groups of two parallel screws placed in series to set the position and orientation of drilling in vertical and horizontal planes. To calculate the adjustment lengths of the screws, a program was developed on Matlab, which calculates by reverse kinematics six lengths by using the surgeon's planed drilling direction and the 3D reconstruction of the vertebra.

This second template, designed with CATIA 4.2.0, is made up of 30 parts. Is has four main functions:​ registration on the vertebra and stabilisation on it, record the location and orientation of the drilling direction relative to the spinous process and, support off the drill while boring. It is registered on the top of the spinous process and a lateral implant holder (by Sofamor-Danek) provides enough forces to hold the template on the vertebra. The template is assembled to the implant holder with screws and localisation pins. Before manufacturing a stainless steel prototype, positions and relative motions of the parts were controlled by kinematics analysis and a polycarbonate prototype was built by selective laser sintering.

Experimental tests were carried out by a surgeon for the drilling of 70 pedicular holes on 9 synthetic lumbar columns (L1-L4). On the right hand-side of the third vertebra, the placement of the pedicular holes had a systematic placement error due to adjustment errors on the template. These nine holes are not considered in the analysis of the experimental results. 91.8 % of 61 bored holes are placed in the pedicle or perforate the pedicular walls at less than a millimetre (91.4 % on the left and 92.3 % on the right). The shift most frequently observed is a medial line drilling. The chord error is 0.89±0.57 mm for holes out of the pedicle. The entry point obtained with the template is similar to the entry point determined by the technique of Roy-Camille. The angles of drilling obtained with the template are similar to the angles aimed in transverse plane. It is the most dangerous plane for the pedicle because medial outputs are most critical due to the proximity of the spinal cord and nerve roots.

The second developed template is the first known template to use an adjustable system for the drilling direction, with screws, giving a generic template thus allowing adjustment of the template on several lumbar vertebrae of different patients or even during surgery. Its registration principle with points-to-surface contacts is innovative for a vertebral template. This principle indeed decreases the problems encountered with a complete surface-to-surface contact with non-ruled lowered curvature surfaces.

Use of the template in surgery should decrease the rate of misplaced pedicular screws since it is a simple system to use during surgery and it requires a few steps only. However, it demands a complete exposure of contact surfaces on the vertebra to obtain a better registration (the extra time required for a vertebra exposition is approximately 35 s). On the other hand, use of a template do not eliminate the necessity of knowing the morphology of the pedicle and to have a know-how of pedicular screw placement. In long term, a surgical template will allow a much safer utilisation of pedicular screws by improving the reliability of the surgical procedure, thus improving the precision of placement of screws for the installation of instrumentation on the spine.