Modeling of Intraoperative Patient Positioning to Facilitate and Improve Corrective Spine Surgeries

Les déformations sévères du rachis telles que la scoliose, le spondylolisthésis ou les traumatismes aux rachis varient quant à leur étiologie, mais lorsque la chirurgie orthopédique est nécessaire les patients seront généralement positionnés sur une table opératoire spécialisée afin de faciliter les différentes étapes de la chirurgie. Les patients sont sécuritairement installés sur cette table grâce à différentes composantes d'aide au positionnement telles que des coussins, coussinets et sangles pour assurer la stabilité du rachis, donner accès à la zone chirurgicale et aux appareils d'imagerie, minimiser le saignement, stabiliser les structures vitales (e.g. organes, nerfs), assurer une ventilation adéquate et faciliter les procédures d'instrumentation. Cette étape de positionnement du patient sur la table opératoire a un effet démontré sur la correction du rachis et offre un potentiel démontré de moduler les courbes du rachis avant même de débuter la chirurgie de correction. Pendant la chirurgie, le clinicien exécute des manœuvres de correction qui imposent des charges importantes sur l'instrumentation de correction et le rachis, mais le potentiel de réduction de ces charges, au bénéfice du clinicien et du patient, par une manipulation ciblée du rachis via le positionnement patient n'a jamais été documenté et doit être plus approfondi. Ce projet a tenté de répondre à la question suivante : en comparaison à la pratique courante, est-ce qu'une manipulation ciblée du rachis via le positionnement patient permet d'améliorer et de faciliter davantage la correction des déformations du rachis, ainsi que de réduire les forces requises pour exécuter les manœuvres de correction? Les hypothèses suivantes ont été émises : 1) Un modèle biomécanique du rachis humain calibré à l'aide de données cliniques préopératoires peut simuler à 5 degrés près les changements de courbure du rachis résultants du positionnement en décubitus ventral sur un cadre chirurgical standard à 4 montants avec l'ajustement sagittal du bassin et du torse; 2) Le modèle biomécanique du rachis humain validé au préalable à l'aide de données cliniques préopératoires peut simuler les changements de courbures du rachis et les forces exercées aux vertèbres résultants d'une instrumentation postérieure du rachis avec tiges et vis pédiculaires, et ce à 5 degrés près pour les courbes et à des niveaux de forces aux vis comparables aux études déjà publiées; 3) Le positionnement du patient sur un cadre chirurgical standard à 4 montants avec l'ajustement du bassin et du thorax durant les procédures d'instrumentation peut réduire jusqu'à 25% les forces d'interface entre les vertèbres et les vis pédiculaires. Trois objectifs spécifiques ont été élaborés afin de guider la stratégie de réponse à la question de recherche et de tester les hypothèses : 1) Développer un modèle biomécanique par éléments finis (MEF) du rachis humain capable de simuler le décubitus ventral intra-opératoire et la chirurgie corrective du rachis avec instrumentation par approche postérieure; 2) Vérifier et valider le modèle avec des cas cliniques existants et quantifier les effets associés aux incertitudes du modèle; 3) Caractériser l'influence du positionnement du patient sur la correction du rachis et les forces résultantes de la chirurgie avec instrumentation, ceci étant l'objectif principal du projet. Afin d'atteindre l'objectif 1, un modèle par éléments finis personnalisé du rachis humain comprenant les vertèbres thoraciques et lombaires, les disques intervertébraux, les côtes, le sternum, les cartilages costaux, les tissus mous de l'abdomen et le bassin a été adapté pour inclure un cadre chirurgical et l'instrumentation corrective aux déformations du rachis. L'instrumentation corrective était faite de tiges et de vis pédiculaires. Des procédures de simulation avec conditions limites ont été développées pour le modèle afin de simuler le patient en décubitus ventral et la chirurgie corrective du rachis via une technique de translation. Le modèle a permis de mesurer les courbes du rachis et les forces axiales à l'interface os-vis issues des simulations. Afin d'atteindre l'objectif 2, un plan de vérification, validation et quantification des incertitudes a été implémenté. Cinq patients atteints de scoliose idiopathique de l'adolescent et issus de la base de données de patients du CHU Sainte-Justine ont été utilisés pour comparer les résultats de simulation avec les mesures de données cliniques intra-opératoires. Des études in vivo et in silico ont aussi été utilisées afin de comparer les résultats. Les incertitudes associées au modèle ont été quantifiées à l'aide d'une série d'études de sensibilité des paramètres du modèle associés au positionnement, au patient et à l'instrumentation. Afin d'atteindre l'objectif 3, le modèle a été utilisé pour mesurer l'influence d'une élévation des coussins thoraciques sur les forces intra-opératoire exercées aux vis pédiculaires sur les patients instrumentés. Nos simulations ont permis de constater que : Le modèle a permis de représenter en moyenne les changements de courbes du rachis résultants du positionnement intra-opératoire en décubitus ventral selon l'objectif donné (≤ 5⁰). • Le modèle a permis de simuler un déplacement vertical de 50-mm des coussins thoraciques avec des résultats moyens comparables aux études utilisant des patients sains. Le déplacement vertical des coussins thoraciques a eu une influence significative sur la cyphose thoracique, soit un changement de 9⁰ en moyenne, ce qui correspond à une augmentation de 67% de la cyphose. • Le modèle a permis de représenter les changements de courbes du rachis et les forces exercées aux vertèbres résultants d'une instrumentation par approche postérieure utilisant des tiges et des vis pédiculaires, selon l'objectif donné (≤ 5⁰) pour les courbes et à l'intérieur d'une plage de valeurs issues d'études in silico comparables pour les forces d'arrachement aux vis. • Le cadre chirurgical standard à 4 montants a favorisé la mobilité du rachis dans le plan sagittal tout en restreignant la mobilité dans le plan coronal. La rotation du bassin a été efficace pour manipuler les courbes sagittales passant d'une réduction moyenne de 32⁰ (pour représenter la flexion maximum des membres inférieurs) à une augmentation de 14⁰ (en extension maximum) pour la lordose. Le positionnement longitudinal des coussins thoraciques a exercé une influence significative sur la cyphose thoracique passant d'une réduction moyenne de 6⁰ pour un déplacement de 50-mm en direction crâniale à une augmentation de 4⁰ pour un déplacement de 50-mm en direction caudale. En accord avec les études existantes, les résultats obtenus des simulations ont confirmé que la combinaison de la rotation du bassin dans le plan sagittal et du placement des coussins thoraciques est pertinente pour la manipulation des courbes sagittales avant la procédure d'instrumentation. • De légères variations (3 mm) associées à la modélisation de la connexion tige-vis ont impacté significativement les valeurs moyennes (jusqu'à 30%) et maximales (jusqu'à 69%) des forces d'arrachement des vis. Cette observation a confirmé comment des ajustements à l'instrumentation de l'ordre du millimètre jouent un rôle significatif sur les niveaux de force mesurés. • Les simulations d'instrumentation réalisées avec le modèle ont révélé des modifications variées des forces d'arrachement aux vis avec l'augmentation de la cyphose thoracique via le positionnement du patient. Les résultats ont varié d'une réduction de 23 N ou 28% à une augmentation de 13 N ou 17% pour les valeurs moyennes et d'une réduction de 80 N ou37% à une augmentation de 52 N ou 27% pour les valeurs maximales. Pour les forces d'arrachement, il a donc été observé que la correction sagittale imposée par les tiges cintrées peut s'agencer favorablement ou défavorablement avec la courbure sagittale induite par le positionnement du patient. Il est donc proposé de poursuivre les efforts pour détailler comment la stratégie de correction par instrumentation peut intégrer la manipulation du rachis issue du positionnement du patient pour déduire des formes de tiges qui réduiraient les forces intra-opératoires aux implants. Il a été noté qu'afin de pouvoir étudier les forces aux vis durant les différentes étapes de la chirurgie, certains changements à la modélisation de la connexion tige-vis seraient nécessaires. Le modèle numérique proposé dans le cadre de ce projet est le premier à combiner les manipulations intra-opératoire des courbes du rachis via le positionnement du patient avec la possibilité de simuler la chirurgie corrective et de mesurer les forces résultantes aux implants. Notre MEF a le potentiel d'être intégré au développement rapide et à l'essai de nouvelles composantes d'aide au positionnement cherchant à optimiser la manipulation des courbes du rachis afin de faciliter et d'améliorer la correction de ses déformations.

Abstract

Severe spinal deformities requiring orthopedic surgeries such as scoliosis, spondylolisthesis or spinal trauma vary in etiology, but generally for their treatment patients need to be positioned on a specialized operating table to facilitate the various stages of surgery. Patients are secured on this operating table via a set of positioning components such as cushions, pads, and straps to ensure spine stability, provide surgical and radiological imaging access, minimize bleeding, stabilize and preserve vital structures (e.g., organs, nerves), provide proper ventilation and facilitate instrumentation procedures. The simple act of positioning the patient has been shown to have an influence on spinal correction and offers a demonstrated and documented potential to leverage the patient's body kinematics to segmentally adjust the shape of the spine prior to any surgical correction. During surgery, corrective maneuvers are performed by the clinician which impose important loads on the corrective instrumentation, but the potential of targeted position induced spine manipulations on reducing these intraoperative loads, benefiting both the clinician and patient, has never been documented and must be further researched. This project looked to answer the following question: when compared to the current practice, can position induced spine manipulations further improve and facilitate the correction of spinal deformities, as well as reduce the forces required to perform corrective maneuvers? It was hypothesized that: 1) a biomechanical model of the human spine calibrated with preoperative clinical data can simulate the changes in spinal curvatures resulting from being prone on a typical 4-post adjustable surgical frame with sagittal adjustment of the pelvis and torso, to within 5 degrees; 2) the previously validated biomechanical model of the human spine calibrated with preoperative clinical data can simulate the changes in spinal curvatures and the forces exerted on the vertebrae resulting from posterior instrumentation with rods and pedicle screws to within 5 degrees of accuracy for curvatures and within the measured range of comparable studies for forces; 3) perioperative patient positioning with pelvic and thoracic adjustments on a 4-post operating frame can reduce interface loads between the vertebral bone and the pedicle screws by up to 25% during instrumentation procedures. From there three specific objectives guided the strategy to answer this question and test these hypotheses: 1) develop a biomechanical finite element model (FEM) of the human spine capable of simulating the intraoperative prone position and posterior spinal instrumentation surgery; 2) verify and validate the model with existing clinical cases and quantify the effects of model uncertainties; 3) characterize the influence of patient positioning on the correction and forces resulting from instrumentation surgery, which was the principal objective of this project. To achieve objective 1, a personalized finite-element model of the human spine which included the thoracic and lumbar vertebrae, intervertebral discs, ribs, sternum, costal cartilages, abdominal soft tissues, and pelvis was adapted to include a surgical frame and spine deformity correction instrumentation. The correction instrumentation consisted in contoured rods and pedicle screws. Model simulation procedures with associated boundary conditions were developed to simulate the patient prone position and the instrumentation surgery via a translation technique. The model allowed to measure the resulting spine curvatures and axial forces at the bone-screw interface. To achieve objective 2, a verification, validation and uncertainty quantification plan was developed and followed. Five patients with adolescent idiopathic scoliosis from the Sainte-Justine University Hospital patient database were used to compare the simulation results with intraoperative clinical data measurements. Published in vivo and in silico studies were also used to compare results. Model uncertainty was quantified via a series of parameter sensitivity studies with a varied set of positioning, patient-related and instrumentation parameters. To achieve objective 3, the model was used to measure the influence of raising the surgical frame's thoracic cushions on the intraoperative post-instrumented pedicle screws loads. Our simulations yielded the following results: • The model allowed to simulate the changes in spinal curvatures resulting from the intraoperative prone position within clinical significance (≤ 5⁰) on average. • The model allowed to simulate a 50-mm vertical displacement of the thoracic cushions with comparable results as previous experiments with healthy patients. The thoracic cushions vertical displacement had a significant influence on thoracic kyphosis with an average change of 9⁰ corresponding to a 67% increase in kyphosis. • The model allowed to simulate the changes in spinal curvatures and forces exerted on the vertebrae resulting from posterior instrumentation with rods and pedicle screws within clinical significance (≤ 5⁰) on average for curvatures and within the measured range of comparable in silico studies for screw pull-out forces. • The studied standard 4-post surgical frame favored spine mobility in the sagittal plane and restricted mobility in the coronal plane. Pelvic rotation was effective at manipulating the sagittal curves with an average reduction of 32⁰ (at maximum flexion of lower limbs) to an increase of 14⁰ (at maximum extension) in lordosis. Longitudinal positioning of the thoracic cushions had a significant influence on thoracic kyphosis with an average 6⁰ reduction for a 50-mm cephalad displacement to a 4⁰ increase for a 50-mm caudal displacement. The combination of pelvic rotation in the sagittal plane and thoracic cushions placement was shown as pertinent for manipulating the sagittal curves prior to instrumentation, in accord with published studies. • Small variations (3 mm) in screw-to-rod connection modeling assumptions had a significant impact on screw pull-out forces average (up to 30%) and maximum (up to 69%) values. This finding confirmed how millimeter level adjustments in the instrumentation play a significant role in measured load levels. • The instrumented simulations using the model revealed a varying effect on intraoperative post-instrumented screw pull-out forces resulting from an increase in thoracic kyphosis using patient positioning. Results ranged from an average reduction of 23 N or 28% to an increase of 13 N or 17% in average forces and a reduction of 80 N or 37% to an increase of 52 N or 27% in maximum forces. It was observed that the sagittal correction objective imposed by the contoured rods shape may work in combination with or against the position induced correction. From this finding it was proposed to further investigate how the correction strategy could integrate the position induced correction to deduce contoured rod shapes that would minimize intraoperative forces. It was noted that further model developments would be required to also measure screw loads at intermediate stages of the instrumentation surgery which would involve a refinement of the screw-to-rod connection modeling.The proposed numerical model is the first to combine intraoperative position-induced spine manipulations with the capability to simulate instrumentation surgery and measure resulting implant forces. Our FEM has a great potential in the rapid development and testing of novel positioning modalities which aim to advantageously manipulate the spine to further facilitate and improve the correction of spinal deformities.