Analyse biomécanique des contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors des manoeuvres de correction de la scoliose

La scoliose est une déformation complexe du rachis qui se manifeste dans les trois plans anatomiques (Asher et coll., 2006; Morcuende et coll., 2003) ainsi que sur la position de la moelle épinière à l'intérieur du canal rachidien (Smorgick et coll., 2012). Lorsque la déformation atteint un certain niveau de sévérité (angle de Cobb de 50°), une procédure chirurgicale de fusion par instrumentation postérieure est souvent utilisée afin de corriger et arrêter la progression de la déformation (Cavali, 2012). Cette instrumentation consiste à appliquer des forces et déplacements complexes sur le rachis par l'intermédiaire d'implants tels des vis pédiculaires, des crochets et des tiges pour redresser le rachis. Les forces importantes générées lors de manoeuvres de correction peuvent causer des blessures à la moelle épinière et aux nerfs rachidiens (Fujioka et coll., 2006; Miguel et coll., 2012) dans 0,5% de cas instrumentés (Miguel et coll., 2012). La pathomécanique et l'impact biomécanique des contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors des manoeuvres de correction n'est pas encore bien compris (Persson et coll., 2011). Quelques études in vitro ont produit des données quantitatives sur l'effet neurologique de forces en tension sur la moelle épinière (Jarzem et coll., 1992; Owen et coll., 1988) et de contraintes en compression sur les nerfs rachidiens (Rydevik et coll., 1991). Cependant, aucune étude biomécanique n'a encore abordé les blessures médullaires suite à des manoeuvres chirurgicales. L'objectif de ce projet de recherche était de développer un modèle biomécanique du rachis et de la moelle épinière personnalisable, permettant d'évaluer les contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors de manoeuvres de correction de déformations scoliotiques. Pour atteindre cet objectif, tout d'abord, un protocole de simulation basé sur une modélisation hybride, composée d'un modèle multicorps flexible du rachis et d'un modèle éléments finis (MÉF) du rachis et de la moelle épinière, a été mis à point et vérifié. Pour cette première étude, les données cliniques d'un cas contrôle (cas #1) ainsi que celles d'un patient avec complication neurologique peropératoire (cas #2) ont été utilisées. La géométrie du MÉF a été adaptée à celle du patient en utilisant un algorithme de personnalisation basé sur des reconstructions 3D du rachis du patient, obtenues à partir des radiographies biplanaires calibrées, ainsi qu'une méthode de déformation élastique, le krigeage dual géométrique 3D. Afin de donner une représentation réaliste au MÉF de la moelle épinière scoliotique, les matières blanches et grises ont été déplacées du côté concave de la courbe scoliotique selon les données de Smorgick et coll. (2012). Les propriétés mécaniques des composants membranaires de la moelle épinière ont été calibrées selon des données expérimentales, dans la plupart des cas obtenues dans des conditions dynamiques (Tunturi, 1978; Wilcox et coll., 2003). Pour les autres structures modélisées, les propriétés mécaniques d'origine ont été utilisées. Les simulations d'instrumentations chirurgicales ont suivi un processus à deux niveaux: premièrement, une simulation multicorps flexible a permis d'obtenir les déplacements des marqueurs vertébraux situés au centre des plateaux vertébraux supérieurs et inférieurs ainsi que sur les sommets des pédicules. Cette cinématique 3D a été ensuite introduite dans le MÉF personnalisé afin de reproduire l'instrumentation. Pour chacun de deux scénarios chirurgicaux, des paramètres biomécaniques en tension tels la pression intra médullaire (PIM) et les déformations ont été comparés aux limites critiques reportées dans la littérature pour la moelle épinière (0,0067 MPa et 0,1 mm/mm, respectivement), et en compression, aux seuils critiques de fonctionnement neurologique des nerfs rachidiens (0,01 MPa). Pour les contraintes en cisaillement, des limites critiques sont inexistantes dans la littérature, par conséquent, les résultats obtenus ont été comparés entre chaque simulation.