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Modélisation Biomécanique de la correction Sagittale du Rachis : application pour réduire les risques de défaillances jonctionnelles proximales

Maeva Lopez Poncelas

Ph.D. thesis (2022)

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Adult spinal deformities cover a range of complex pathologies of the musculoskeletal system, mainly seen in people over 50 years of age, and have a significant and measurable impact on health. In cases of severe deformities, surgical instrumentation with arthrodesis remains the most effective treatment to restore correct spinal alignment and improve patient's quality of life. These procedures consist of attaching implants to the vertebrae, usually pedicle screws, to affix them to metal rods in order to restore "normal" spinal alignment and sagittal balance, and ultimately achieve spinal fusion. A common complication following instrumentation surgery is proximal junctional kyphosis (PJK), a pathologic kyphotic deformity of the proximal vertebral segment adjacent to the vertebral instrumentation, with reported incidences between 10% and 40%. In general, it has limited clinical impact on the patient because it is often considered the natural response of the junctional segment to instrumentation. With an incidence up to 35%, proximal junction failure (PJF) is a related, but more acute, hyperkyphotic deformity involving mechanical failure (such as vertebral body fracture of the upper instrumented vertebra (UIV) or just above (UIV+1), posterior bone-ligament rupture or implant dislodgement, or even implant pullout and/or rod breakage at the UIV) and is a significant complication after instrumentation. PJF is a multifactorial phenomenon, making its mitigation complex. Clinical studies have identified numerous PJF-related risk factors that may be intrinsic to the patient (age, bone density, etc.), to the surgical strategies (ligament dissection, sagittal correction, etc.) or to the type of instrumentation chosen (type of implant, rod material, etc.). Biomechanical studies regarding sagittal profile restoration strategies have shown that overcorrection of the global alignment or lumbar lordosis increases the risk of PJF. However, the optimal sagittal profile and the effect of local curve corrections on failure risk remain to be determined. Biomechanical studies have also been performed on different types of instrumentation. The use of implants more flexible than pedicle screws, such as hooks or flexible bands (tethers), has shown a smoother mobility transition that may limit the risk of failure. The effect of implant type on load distribution at the proximal segment remains unclear. The use of rod with a transitional diameter has been shown to reduce risk. However, the effect of material remains controversial. The general objective of this project was to evaluate the biomechanical impact of different correction strategies, such as implant choice or rod shape, in order to improve our understanding of PJF and to decrease the mechanical risks that can lead to this complication. This thesis aimed to address three hypotheses related to parameters involved in the PJF-related risks such as proximal implant stiffness or sagittal plane curve distribution. To achieve this, three specific research objectives were specified: 1) Develop and validate a biomechanical model of spinal instrumentation surgery including parameters associated with sagittal curve correction and instrumentation systems. 2) Determine the effect of lumbar lordosis distribution on proximal junctional failure risks. 3) Compare different vertebra-rod anchor systems and analyze the amplitude and distribution of loads to determine a configuration that minimizes the risk of proximal junctional failures. A numerical methodology developed to address the research objectives was based on the analysis of surgical results from three-dimensional reconstructions of patients' spines, as well as on the analysis of numerical simulations of spinal instrumentation surgeries using a personalized biomechanical multibody model. The first section of this thesis included the validation of the numerical model of spinal instrumentation surgeries used for the PJF risk analysis. To accomplish this, the V&V40 :2018 framework was followed to determine the verification and validation activities to be performed. To establish the credibility of the numerical model for the comparative analysis of different correction strategies on PJF risks, a comparative study was designed to test the sensitivity of the model. To this end, a cohort of patients who underwent fusion surgery was retrospectively selected and preoperative radiographs were used to perform three-dimensional reconstructions of the patients. The cohort was divided into two groups: five patients who had no postoperative complications (asymptomatic) and six patients who developed radiographic PJF (hyperkyphotic failure). Specific surgery, erect posture, and a flexion motion were simulated for each patient, and mechanical indicators of PJF risk (i.e., forces and moments held by the proximal junctional segment and instrumentation) were measured. Mechanical indicators in the PJF group were greater than those in the asymptomatic group, especially for the sagittal moment supported by the adjacent functional unit (15.5 vs. 8.7Nm, p<0.05). A sensitivity analysis on some uncertainty parameters such as functional unit stiffness or implant position was performed on the asymptomatic group. A moderate correlation was observed between the stiffness of the functional units and the sagittal moment of the adjacent segment (r=0.57), and no significant correlation was measured. Quantification of the uncertainties in this sensitivity analysis demonstrated that the mechanical indicators remained below the failure thresholds and within the physiological loads range. The second section of this thesis aimed to evaluate the biomechanical effect of lordosis distribution correction on PJF risks. A cohort of five patients with high pelvic incidence who underwent fusion surgery to restore their sagittal profile (primarily due to hypolordosis) was retrospectively selected. For each patient, three correction scenarios were compared; a pedicle subtraction osteotomy (PSO) performed at L3, L4, or L5 was simulated. For each patient, global alignment was kept constant between PSO levels by pelvic orientation adjustment and the same amount of lordosis correction (i.e. osteotomy angle and L1-S1 angle) was applied. The mechanical indicators of the PJF were measured after simulated surgery, erect posture, and a flexion movement. No significant differences were observed after comparison of the different PSO levels for each mechanical indicator. Sensitivity analysis was performed between the mechanical indicators and different postoperative radiographic parameters. The lordosis distribution index (L4-S1/L1-S1) was not significantly correlated with spinal or instrumentation loads. An increase in the Sagittal Vertical Axis (SVA) was correlated with an increase in the bending moment supported by the rods (r=0.52, p<0.05) demonstrating that an under-correction of the sagittal profile could increase the risk of rod breakage. The bending moment held by the rods was also correlated with a decrease in sacral slope (SS) and an increase in thoracolumbar junction (T11-L2) (r=-0.56 and 0.57, p<0.05), parameters related to a more cranial lordosis correction. A negative correlation between SS and the bending moment held by the adjacent functional unit was also measured (r=-0.71, p<0.05). Radiographic parameters related to curvature adjustments such as the thoracolumbar junction or compensatory mechanisms such as pelvic tilt associated with more distal osteotomies were identified as potentially minimizing the PJF risk in this study. This study demonstrated that sagittal balance is a complex principle that cannot be summarized by the analysis of a single factor such as lordosis distribution. The final section of this thesis aimed to evaluate the biomechanical effect of different implant types and rod stiffness on PJF risks. The load distribution at the junctional segment was studied for different implant types (pedicle screws, supralaminar hooks and pedicle screws with sublaminar bands at the adjacent vertebra with different pre-tensions) and rods (titanium 5.5mm of diameter and cobalt-chromium 6 and 5.5mm of diameter). A full factorial design of experiments was performed for all these configurations on a cohort of 6 adult deformity patients. The transition of moments in the sagittal plane was smoother when the instrumentation included sublaminar bands with low pretension (50N) compared with pedicle screws alone with a sagittal moment supported by the adjacent functional unit of 8.1Nm instead of 15.6Nm. Sublaminar bands with higher pretension (350N) also decreased the sagittal moment at the adjacent vertebra (2.5Nm) but significantly increased the moment supported two levels above the instrumentation (UIV+2) (17.7Nm vs. 15.5Nm, p<0.05) as well as the bending moment supported by the rods (5.7 vs. 0.6Nm). Pre-tensioning of the sublaminar bands when used to improve load transition in the spine was identified as a predominant factor in this study. Supralaminar hooks as well as the effect of rods did not reveal any significant difference on load distribution at the functional unit level. Supralaminar hooks increased moments at the bone-implant interface compared to pedicle screws (2.6 vs. 0.7Nm, p<0.05) or when the rods were cobalt-chromium compared to titanium (1.0 vs. 0.7Nm, p<0.05). This project highlighted the importance of the choice of instrumentation as well as the correction of the sagittal profile to minimize the risk of proximal junctional failures. The perspective of this work for surgeons allows them to consider the improvement of surgical strategies and the mitigation of the risks of junctional failures.


Les déformations du rachis chez l'adulte représentent un éventail de pathologies complexes du système musculosquelettique, principalement observées chez les personnes de plus de 50 ans, et qui ont un impact significatif et mesurable sur la santé. Dans les cas de déformations sévères, une instrumentation chirurgicale avec arthrodèse reste le traitement le plus efficace pour rétablir un alignement correct de la colonne vertébrale et améliorer la qualité de vie du patient. Elles consistent à ancrer des implants aux vertèbres, généralement des vis pédiculaires, pour les fixer à des tiges métalliques afin de restaurer un alignement vertébral "normal" et un équilibre sagittal, et obtenir à terme une fusion de la colonne vertébrale. L'une des complications fréquentes de l'instrumentation est la cyphose jonctionnelle proximale (Proximal Junctional Kyphosis, PJK), une déformation cyphotique pathologique du segment vertébral proximal adjacent à l'instrumentation vertébrale, avec des incidences rapportées entre 10 % et 40 %. En général, elle a un impact clinique limité pour le patient car elle est souvent considérée comme la réponse naturelle du segment jonctionnel à l'instrumentation. Avec une incidence pouvant atteindre 35%, la défaillance de la jonction proximale (Proximal Junctional Failure, PJF) est une déformation hypercyphotique connexe, mais plus aiguë, qui implique une défaillance mécanique (telle qu'une fracture du corps vertébral de la vertèbre supérieure instrumentée (Upper Instrumented Vertebra, UIV) ou juste au-dessus (UIV+1), une rupture osseuse-ligamentaire postérieure ou un délogement d'un implant ou même l'arrachement de l'instrumentation et/ou le bris des tiges au niveau de l'UIV), et constitue une complication importante après l'instrumentation. Les PJF représentent un phénomène multifactoriel rendant leur mitigation complexe. Des études cliniques ont identifié de nombreux facteurs de risques liés aux PJF pouvant être intrinsèques aux patients (âge, densité osseuse, etc…), aux stratégies chirurgicales (dissection ligamentaire, correction sagittale, etc…) ou au type d'instrumentation choisie (type d'implant, matériau des tiges, etc…). Les études biomécaniques concernant les stratégies de restauration du profil sagittal ont démontré qu'une sur-correction globale ou de la lordose lombaire augmentait les risques de PJF. Le profil sagittal optimal et l'effet des corrections locales des courbes sur les risques de défaillances restent toutefois à déterminer. Des études biomécaniques ont également été réalisées sur différents types d'instrumentation. L'utilisation d'implants plus souples que les vis pédiculaires tels que des crochets ou des bandes souples (tethers) a démontré une transition de mobilité plus lisse pouvant limiter les risques de défaillances. L'effet du type d'implant sur la distribution des charges au niveau du segment proximal demeure incertain. L'utilisation de tiges avec un diamètre transitionnel permet de diminuer les risques selon certaines études. L'effet du matériau reste toutefois controversé. L'objectif général de ce projet doctoral était d'évaluer l'impact biomécanique de différentes stratégies de corrections, telles que le choix des implants ou la forme des tiges, afin d'améliorer notre compréhension des PJF et de diminuer les risques mécaniques pouvant entrainer cette complication. Cette thèse visait à répondre à trois hypothèses reliées à des paramètres intervenant dans les risques de PJF comme la rigidité des implants proximaux ou la distribution des courbes dans le plan sagittal. Pour y parvenir, trois objectifs de recherche spécifiques ont été précisés: 1) Développer et valider un modèle biomécanique de la chirurgie d'instrumentation du rachis incluant les paramètres associés à la correction des courbes sagittales et aux systèmes d'instrumentation. 2) Déterminer l'effet de la distribution de lordose lombaire sur les risques de défaillances jonctionnelles proximales. 3) Comparer différents systèmes d'ancrage vertèbre-tige et analyser l'amplitude ainsi que la distribution des charges afin de déterminer une configuration minimisant les risques de défaillances jonctionnelles proximales. Une méthodologie numérique développée afin de répondre aux objectifs de recherche s'est appuyée sur l'analyse de résultats chirurgicaux à partir de reconstructions tridimensionnelles du rachis de patients, ainsi que sur l'analyse de simulations numériques de chirurgies d'instrumentation rachidienne à l'aide d'un modèle multi-corps biomécanique personnalisé. Le premier volet de cette thèse a inclus la validation du modèle numérique des chirurgies d'instrumentation du rachis utilisé pour l'analyse de risques de PJF. Pour ce faire, le cadre de la norme V&V40 :2018 a été suivi afin de déterminer les activités de vérification et validation à réaliser. Afin d'établir la crédibilité du modèle numérique pour l'analyse comparative de différentes stratégies de correction sur les risques de PJF, une étude comparative a été conçue pour tester la sensibilité du modèle. A cette fin, une cohorte de patients ayant subi une chirurgie d'instrumentation et fusion a été sélectionnée rétrospectivement et les radiographies préopératoires ont été employées pour réaliser les reconstructions tridimensionnelles des patients. La cohorte a été divisée en deux groupes : cinq patients n'ayant pas eu de complications postopératoires (asymptomatiques) et six patients ayant développé une PJF dite radiographique (défaillance par hypercyphose). La chirurgie spécifique, la posture érigée et un mouvement de flexion ont été simulés pour chaque patient et les indicateurs mécaniques des risques de PJF (i.e. forces et moments supportés par le segment jonctionnel proximal et l'instrumentation) ont été mesurés. Les indicateurs mécaniques du groupe PJF étaient plus importants que ceux du groupe asymptomatique, particulièrement pour le moment sagittal supporté par l'unité fonctionnelle adjacente (15.5 vs. 8.7Nm, p<0.05). Une analyse de sensibilité sur certains paramètres d'incertitudes tels que la rigidité des unités fonctionnelles ou la position des implants a été réalisée sur le groupe asymptomatique. Une corrélation modérée a été observée entre la rigidité des unités fonctionnelles et le moment sagittal du segment adjacent (r=0.57) et aucune corrélation significative n'a été mesurée. La quantification des incertitudes de cette analyse de sensibilité a démontré que les indicateurs mécaniques restaient sous le seuil de rupture et dans la fourchette des charges physiologiques. Le second volet de cette thèse visait à évaluer l'effet biomécanique de la correction de la distribution de lordose sur les risques de PJF. Une cohorte de cinq patients ayant une forte incidence pelvienne et ayant subi une chirurgie d'instrumentation et fusion pour restaurer leur profil sagittal (principalement due à une hypolordose) a été sélectionnée rétrospectivement. Pour chaque patient, trois scénarios de correction ont été comparés; une ostéotomie de soustraction pédiculaire (Pedicle Subtraction Osteotomy, PSO) réalisée aux vertèbres L3, L4 ou L5 ont été simulé. Pour chaque patient, l'alignement global a été maintenu constant entre les différents niveaux de PSO par un ajustement de l'orientation pelvienne et la même amplitude de correction de lordose (i.e. angle d'ostéotomie et angle L1-S1) a été appliquée. Les indicateurs mécaniques des PJF ont été mesurés après simulation de la chirurgie, de la posture érigée et d'un mouvement de flexion. Aucune différence significative n'a été observée après comparaison des différents niveaux de PSO pour chaque indicateur mécanique. Une analyse de sensibilité a été réalisée entre les indicateurs mécaniques et différents paramètres radiographiques postopératoires. L'indice de distribution de lordose (L4-S1/L1-S1) n'était pas corrélé significativement aux charges supportées par le rachis ou l'instrumentation. Une augmentation du SVA (Sagittal Vertical Axis) était corrélée à une augmentation du moment fléchissant supporté par les tiges (r=0.52, p<0.05) démontrant qu'une sous-correction du profil sagittal pouvait augmenter les risques de bris de tiges. Le moment fléchissant supporté par les tiges était également corrélé avec une diminution de la pente sacrée (Sacral Slope, SS) et une augmentation de la jonction thoraco-lombaire (T11-L2) (r=-0.56 et 0.57, p<0.05), paramètres liés à une correction de lordose plus crâniale. Une corrélation négative entre SS et le moment fléchissant supporté par l'unité fonctionnelle adjacente a également été mesurée (r=-0.71, p<0.05). Les paramètres radiographiques liés à des ajustements de courbures tels que la jonction thoraco-lombaire ou des mécanismes de compensation tels que la rétroversion pelvienne associés à des ostéotomies plus distales ont été identifiés comme minimisant potentiellement les risques de PJF dans cette étude. Cette étude a démontré que la balance sagittale est un principe complexe ne pouvant être résumé à l'analyse d'un seul facteur comme la distribution de lordose. Le dernier volet de cette thèse visait à évaluer l'effet biomécanique de différents types d'implants et de tiges sur les risques de PJF. La distribution des charges au niveau du segment jonctionnel a été étudiée pour différents types d'implants (vis pédiculaires, crochets supralaminaires et vis pédiculaires avec des bandes sublaminaires à la vertèbre adjacente avec différentes pré-tensions) et tiges (titane 5.5mm de diamètre et cobalt-chrome 6 et 5.5mm de diamètre). Un plan d'expériences complet a été réalisé pour toutes ces configurations sur une cohorte de 6 patients adultes. La transition des moments dans le plan sagittal était plus lisse lorsque l'instrumentation incluait des bandes sublaminaires avec faible pré-tension (50N) comparativement aux vis pédiculaires seules avec un moment sagittal supporté par l'unité fonctionnelle adjacente de 8.1Nm au lieu de 15.6Nm. Des bandes sublaminaires avec une plus forte pré-tension (350N) diminuaient également le moment sagittal à la vertèbre adjacente (2.5Nm) mais augmentaient significativement le moment supporté deux niveaux au-dessus de l'instrumentation (UIV+2) (17.7Nm vs 15.5Nm, p<0.05) ainsi que le moment fléchissant supporté par les tiges (5.7 vs. 0.6Nm). La pré-tension des bandes sublaminaires lors de leur utilisation pour améliorer la transition des charges dans le rachis a été identifié comme un facteur prédominant dans cette étude. Les crochets supralaminaires ainsi que l'effet des tiges n'ont pas révélé de différence significative sur la distribution des charges au niveau des unités fonctionnelles. Les crochets supralaminaires augmentaient les moments à la jonction os-implant comparativement aux vis pédiculaires (2.6 vs. 0.7Nm, p<0.05) ou lorsque les tiges étaient en cobalt-chrome comparativement à celles en titane (1.0 vs 0.7Nm, p<0.05). Ce projet doctoral a mis en évidence l'importance du choix de l'instrumentation ainsi que de la correction du profil sagittal pour minimiser les risques de défaillances jonctionnelles proximales. La perspective de ces travaux pour les chirurgiens leur permet d'envisager l'amélioration des stratégies chirurgicales et la mitigation des risques de défaillances jonctionnelles.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10260/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 19 Sep 2022 11:09
Last Modified: 04 Oct 2023 00:40
Cite in APA 7: Lopez Poncelas, M. (2022). Modélisation Biomécanique de la correction Sagittale du Rachis : application pour réduire les risques de défaillances jonctionnelles proximales [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10260/


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