Facteurs biomécaniques de risques de la cyphose jonctionnelle proximale

Les déformations rachidiennes telles que la scoliose sont des pathologies du système musculo-squelettique qui nécessitent un traitement chirurgical d'instrumentation dans les cas de courbures pathologiques sévères (angle de Cobb > 40° pour les cas de scoliose) (Weinstein 2001; Morcuende and Weinstein 2003). Cette intervention d'instrumentation consiste à fixer des implants sur les vertèbres et redresser le rachis à l'aide de tiges métalliques, ce qui mène à la fusion permanente du rachis. Bien que ce traitement permette une correction efficace des courbures pathologiques du rachis (Weinstein 2001), la survenue de complications postopératoires peut parfois entraîner une révision de l'instrumentation. La première cause de révision est la cyphose jonctionnelle proximale (CJP) (Schairer, Carrer et al. 2013), avec une prévalence entre 20% et 43% (Yang and Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). La CJP se manifeste comme une hypercyphose des vertèbres adjacentes au-dessus de l'instrumentation. Plusieurs études rétrospectives ont été réalisées afin d'en identifier les causes. Les facteurs de risque associés à la survenue et à la progression de la CJP incluent la dissection proximale des tissus mous postérieurs, la dégénérescence de la capsule articulaire, l'équilibre sagittal pré- et postopératoire, la thoracoplastie, la qualité osseuse, l'obésité et la raideur de l'instrumentation (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald and Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). Ainsi, on rapporte que la CJP pourrait être associée au nombre de vertèbres instrumentées, au type d'implant proximal ou de manière plus générale à la configuration de l'instrumentation au niveau de la vertèbre proximale instrumentée. Les pathomécanismes de la CJP demeurent toutefois encore controversés. En effet, les conclusions rapportées dans la littérature sont parfois contradictoires et n'arrivent pas à isoler l'effet spécifique d'une variable donnée par rapport à la CJP. En outre, aucune étude biomécanique n'a rapporté l'impact biomécanique de différentes variables de la chirurgie rachidienne sur les indices géométrico-mécaniques reliés à la CJP. L'objectif de ce projet de maîtrise a donc été de développer un modèle biomécanique de la chirurgie d'instrumentation afin d'analyser et comprendre les pathomécanismes postopératoires du segment jonctionnel proximal du rachis. Six variables chirurgicales pouvant augmenter potentiellement le risque de survenue de la CJP ont ainsi été analysées.

Abstract

Spinal deformities such as scoliosis are a group of musculoskeletal disorders requiring surgical instrumentation in cases of severe pathological curvatures (e.g. Cobb angle > 40° for scoliosis) (Weinstein 2001; Morcuende and Weinstein 2003). Spinal instrumentation is a surgical procedure that stabilizes the spine and fuses vertebrae with implanted devices, such as metallic rods, screws and hooks. Although this treatment allows effective correction of pathological spinal curvatures (Weinstein 2001), the occurrence of postoperative complications can sometimes lead to a revision of the instrumentation. The first cause of revision surgery is the proximal junctional kyphosis (PJK) (Schairer, Carrer et al. 2013), having a prevalence between 20% and 43% (Yang and Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). PJK appears as a hyperkyphosis of non instrumented proximal vertebrae. Several retrospective studies have been conducted to identify its causes. Risk factors related to PJK occurrence and progression include the proximal dissection of the posterior soft tissues, the joint capsule degeneration, the pre- and postoperative sagittal balance, the thoracoplasty, the bone quality, the obesity and the stiffness of the instrumentation (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald and Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). It is also reported that PJK could be associated to the number of instrumented vertebrae, the type of proximal implant or the construct configuration at upper instrumented vertebra. However, pathomechanisms of PJK are still controversial because findings reported in the literature are sometimes contradictory and not able to isolate the effect of a specific variable on PJK. In addition, no computational study has reported the impact of several surgical variables on biomechanical indices related to PJK. The objective of this Master project was therefore to develop a biomechanical model of spinal instrumentation in order to analyze and better understand the postoperative pathomechanisms of proximal junctional spinal segment. Six surgical variables potentially increasing the risk for PJK occurrence have been analyzed. In order to achieve this objective, a multibody model was developed and validated to computationally simulate surgical instrumentations of six adult patients affected by PJK. For each case, the spinal tridimensional geometry was reconstructed using two calibrated preoperative radiographs (postero-anterior and lateral). In these models, each vertebra was