Analyse biomécanique d'instrumentations du rachis scoliotique avec vis iliaques

La scoliose neuromusculaire est une déformation de la colonne vertébrale souvent associée à une déformation et une inclinaison du bassin. Dans les cas sévères, le traitement favorisé consiste en une chirurgie d'instrumentation du rachis et du bassin permettant de redresser la colonne vertébrale et de freiner la progression de la déformation. Une longue instrumentation sur plusieurs niveaux vertébraux avec fixation sur les os iliaques permet d'ancrer la structure et de faciliter la correction de l'inclinaison pelvienne. Toutefois, ces fixations iliaques sont soumises à de grandes charges générées pendant et après l'opération pouvant causer des complications. Plusieurs types de fixation iliaque ont été développés, mais la technique actuellement favorisée par les chirurgiens est l'utilisation de vis iliaques. Les vis iliaques sont considérées comme une alternative plus simple et plus sécuritaire que les tiges Galveston anciennement considérées comme le standard des fixations iliaques. Malgré tout, certains risques de défaillance demeurent. En effet, des complications directement reliées à l'utilisation de vis iliaques, telles que le désengagement des tiges et le retrait des vis, ont été observées. Les grands efforts générés sur ces implants sont certainement une cause de ces complications. Certains paramètres de la chirurgie d'instrumentation avec vis iliaques, tels que le point d'insertion, le diamètre, la longueur des vis, l'utilisation de vis sacrées et de connecteurs latéraux et transversaux, sont variables et peuvent influencer les efforts générés aux vis. L'influence de certains de ces paramètres a été évaluée à travers différentes études sur des bassins cadavériques ou synthétiques. Toutefois, ces études ne permettent pas d'évaluer l'influence combinée de plusieurs paramètres sur un même patient. L'objectif général de ce projet est donc d'analyser la biomécanique d'instrumentation avec vis iliaques pour la correction de la scoliose afin d'améliorer les stratégies d'instrumentation pour minimiser les efforts sur les vis et le bassin, ce qui permettrait de réduire les risques de complications associées à la défaillance de l'implantation de vis iliaques. Dans un premier temps, une technique de modélisation numérique multi-corps 3D a été développée et ensuite utilisée pour créer des modèles biomécaniques du rachis personnalisés à partir des radiographies de six patients atteints d'une scoliose neuromusculaire corrigée par une instrumentation allant jusqu'au bassin. Les propriétés mécaniques du rachis ont été tirées de la littérature et personnalisées à partir du test d'inflexion latérale. Les composants des implants ont été modélisés comme des corps rigides reliés par des liaisons cinématiques et les tiges comme

Abstract

Neuromuscular scoliosis is a deformity of the spine frequently associated with pelvic inclination and deformation. In severe cases, the preferred treatment involves spinal surgery and pelvis instrumentation to straighten the spine and stop the progression of the deformity. Pelvic fixation attached to a long spinal instrumentation is used as an anchor facilitating the correction of the pelvic inclination. However, the iliac fixation is subject to large biomechanical loads generated both during and following surgery. Consequently, failures in spinopelvic instrumentations have been reported and several types of iliac fixation have been developed. Currently the preferred technique is the use of iliac screws, which are considered safer and simpler than the standard Galveston technique. However, some complications directly related to the use of iliac screws, such as rod disengagement and screw loosening, have been observed. Loads generated on implants are certainly an important cause of fixation failure. Some instrumentation factors, such as the insertion point, the diameter and the length of the screws, the use of sacral screws, lateral connectors and cross-rod connectors, can influence the loads generated on iliac screws. The influence of some of these parameters was evaluated through experimental studies. However, none of these studies analyzed the combined influence of several variables for the same patient. The overall objective of this project was to biomechanically analyze scoliotic instrumentation in combination with iliac screws to improve instrumentation strategies and minimize loads generated on both the screws and pelvis. Thus, reducing the risk of complications associated with iliac screw related failures. First, a 3D flexible multi-body modeling technique was developed to biomechanically create patient-specific models of six patients with neuromuscular scoliosis corrected with instrumentation including iliac screws. The spinopelvic mechanical properties were defined using data reported in the literature and personalized to each patient via lateral bending tests. Implant components were modeled as rigid bodies connected by kinematic joints and rods were modeled as flexible beams. Surgical maneuvers were modeled and simulated to reproduce surgery for the six cases. Loads generated on iliac screws were evaluated throughout the simulations. The gravitational forces along the longitudinal axis were applied and functional loadings were simulated in order to evaluate the loads generated on the screws following surgery.