La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle du rachis, dont les formes les plus sévères nécessitent une intervention chirurgicale d'instrumentation afin de redresser le rachis. La configuration de ces dispositifs peut être différente d'un chirurgien à l'autre, ce qui rend variable la correction résultante du rachis. L'objectif de cette étude est le développement d'un modèle par multi-corps flexibles pour la simulation de la chirurgie d'instrumentation avec le système Cotrel-Dubousset Horizon avec vis pluriaxiales, afin d'évaluer la possibilité d'anticiper les résultats d'une chirurgie selon une configuration particulière du système d'instrumentation.

La géométrie du modèle de rachis a été personnalisée à l'aide de radiographies de patients, tandis que les propriétés mécaniques représentent des valeurs moyennes tirées de la littérature. Le système d'instrumentation est composé de vis fixes ou pluriaxiales, de crochets, écrous et tiges. Les implants sont représentés par des corps rigides tandis que les tiges sont des corps flexibles avec déformation élastique. Les simulations incluent les manoeuvres d'installation et de serrage de deux tiges ainsi que la manoeuvre de rotation de la première tige. Les résultats des simulations permettent d'obtenir une prédiction du rachis post-opératoire. Pour évaluer la capacité du modèle à simuler adéquatement la correction du rachis, une étude de simulation de sept cas réels de chirurgie a été réalisée. Dans une seconde étude, des tests de sensibilité des paramètres du modèle ont été réalisés sur deux des simulations de chirurgie. Les paramètres testés sont l'emplacement des implants sur les vertèbres, la déformation des tiges, les conditions aux limites du rachis et la modélisation de la discectomie.

La simulation des sept cas de chirurgie a corrigé les courbures frontales et sagittales du rachis avec des différences de moins de 6 degrés par rapport à la chirurgie réelle, à l'exception d'un cas où la simulation a sous-corrigé la lordose de 13 degrés. Les étapes de pose et de rotation de la première tige sont principalement responsables de la correction. Les sept simulations ont réduit l'angle du plan de déformation maximale du rachis, cependant seulement dans deux cas, l'angle simulé correspondait au résultat de la chirurgie réelle. Les efforts de correction dans le plan frontal dans les liaisons entre les implants et les vertèbres varient entre 110 et 570N, tandis que les efforts de correction dans le plan sagittal varient entre 50 et 225N. Les efforts maximaux atteignent dans un cas 1400N, ce qui est au-delà de la limite de résistance mécanique des vertèbres. Ils sont probablement occasionnés par la création d'un état hyperstatique dont l'alignement inadéquat des implants par rapport aux tiges serait responsable. La présence d'efforts très élevés (sur-contraintes) n'affecte pas la correction des courbures du rachis. Les couples de rotation de la première tige sont inférieurs à 18Nm, ce qui est conforme aux données de la littérature.

La représentation des conditions aux limites du rachis influence les résultats des simulations et de nouvelles conditions pourraient améliorer la correction des déformations du rachis, en particulier de la lordose. La modélisation de la discectomie n'améliore pas les résultats des simulations et n'est pas nécessaire dans la simulation de la chirurgie. Le modèle de déformation des tiges est adéquat pour la plupart des simulations et prévoit généralement peu de déformation des tiges.

Le modèle développé reproduit le mécanisme d'instrumentation du rachis avec le système Cotrel-Dubousset Horizon avec vis pluriaxiales. La simulation de chirurgies réelles a donné des résultats satisfaisants et a démontré la possibilité de prévoir les résultats tant géométrique que mécanique du rachis post-opératoire, à partir de données pré-opératoires. Le modèle développé peut être configuré pour une chirurgie particulière et se prête au planning ou au training opératoire pour la chirurgie de la scoliose.

Idiopathic scoliosis is a three-dimensional deformity of the spine. Severe cases generally require surgical instrumentation of the spine to prevent further evolution of the deformities. From one surgeon to another, there is a different way to install the same instrumentation system, which eventually leads to a variable correction of the spine. The objective of the current study is to develop an analytical model for the simulation of the scoliosis surgery with the Cotrel-Dubousset Horizon multiaxial instrumentation system, in order to predict surgery results for a specific configuration of the spine instrumentation. For this purpose, a computer modeling approach using multibody and flexible mechanisms has been retained.

The geometry of the spine model was personalized using patient pre-operative radiographs, while the mechanical properties of the intervertebral parts represent mean values obtained by other experimental studies. The instrumentation system is modeled with multiaxial screws, fixed screws, hooks, nuts and rods. The implants are modeled as rigid bodies, while the rods are entirely flexible with elastic deformation. During the surgery simulation, the first rod is attached and rotated on the spine, then the second rod is added to the spine. The simulation generates the post-surgery spine geometry and the reaction forces and moments are post-processed. Seven real surgery cases were simulated, in order to evaluate the geometrical and mechanical responses. Some parameters of the model were also individually evaluated, so as to understand their effect on the model's response during the simulation. The parameters were the implant positioning on the vertebrae, the mechanical modeling of the rod deformation, the boundary limits applied to the spine model and the effectiveness of modeling the discectomy.

The seven simulation cases adequately corrected the frontal and sagital spine deformities, except for one case where the lordosis was less corrected that in the real surgery. First rod attachment and rotation caused most of the correction. The orientation of the plane of maximum deformity was brought toward the sagital plane in all the cases, however only two cases provided the same angle as in surgery. The simulations showed high forces at the implant to vertebra fixations. Mean frontal plane correction forces varied between 110 and 570N, while the sagital plane forces varied between 50 and 225N. Some forces were over the mechanical limits of the vertebra. This might result from a hyperstatic model, due to implant misalignment with respect to the rod. Forces dues to over- constraining do not seem to affect spine correction. The torques required to rotate the rod are up to 18Nm, which is similar to in-vivo measures from the literature.

Different boundary conditions than those used in this project might significantly improve the simulation results, in particular the modification of the lordosis. Discectomy modeling did not improve simulation results and need not to be used in the spine model for surgery simulation. Rod modeling with elastic deformation is adequate for most of the simulation cases. The rods showed generally little deformation during the instrumentation.

The model developed in this study simulated well the spine instrumentation with Cotrel- Dubousset Horizon multiaxial system, proving that it is possible to predict the geometrical and mechanical results of a surgery starting from pre-operative data. This model can be adapted for any particular surgery approach, and is useful for surgery planning and training.