Porcine Spine Finite Element Model of Progressive Experimental Scoliosis and Assessment of a New Dual-Epiphyseal Growth Modulating Implant

La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont l'étiologie reste encore à élucider. Il est généralement admis que la progression de la déformation scoliotique pédiatrique est liée au principe d'Hueter-Volkmann qui stipule une réduction de la croissance suite à des contraintes en compression excessives au niveau de la concavité de la courbure scoliotique vs. sa convexité. Les stratégies de traitement des courbures sont difficiles, surtout chez les jeunes enfants. Typiquement, une intervention chirurgicale avec une instrumentation rachidienne accompagnée d'une arthrodèse segmentaire est nécessaire pour des courbures progressant au-delà de 40° d'angle de Cobb. De nouveaux dispositifs visent à manipuler la croissance vertébrale en exploitant le principe d'Hueter-Volkmann pour contrôler la progression de et corriger la courbure. Ces implants sans fusion exploitent la croissance vertébrale résiduelle en manipulant des gradients de croissance pour localement inverser la cunéiformisation vertébrale et, au fil du temps, réaligner la colonne vertébrale globalement. Des essais cliniques ont démontré une correction prometteuse pour les courbures généralement inférieures à 45°; cependant, les dispositifs actuels chevauchent l'espace du disque intervertébral et le compriment augmentant les risques de dégénérescence du disque à long terme. Par ailleurs, les implants nouvellement conçus sont généralement testés en utilisant des modèles animaux équivalents pour évaluer leur efficacité à corriger des déformations par l'intermédiaire de l'approche inverse (création d'une déformation) ou l'approche à 2- étapes (création d'une déformation suivie d'une correction). Néanmoins, une plate-forme de conception efficace est nécessaire pour évaluer la manipulation de la croissance à court et long termes par de nouveaux implants et de raccourcir le transfert de connaissances vers des applications cliniques. L'objectif général de cette thèse était de développer et de vérifier un modèle par éléments finis porcin (MEFp) unique en tant qu'une plateforme alternative pour la simulation de scolioses expérimentales progressives et des implants sans fusion, et d'évaluer un nouvel implant double-épiphysaire local ne chevauchant pas l'espace du disque sur des porcs immatures. Ainsi, les objectifs spécifiques suivants ont été complétés : 1) développer et

Abstract

Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine whose etiology is yet to be elucidated. The pathomechanism of scoliosis progression is believed to be linked to the Hueter-Volkmann principle, by which growth is reduced due to increased growth plate compression, with the inverse also valid. Treatment strategies are challenging, especially in young children. Curves progressing beyond 40° Cobb angle are typically treated via invasive surgical interventions requiring spinal instrumentation accompanied by segmental spinal arthrodesis, impairing spinal mobility. New devices aim at manipulating vertebral growth by exploiting the Hueter-Volkmann principle to control curvature progression. These fusionless implants harness remaining vertebral growth by manipulating growth gradients to reverse vertebral wedging locally and, over time, globally realign the spine. Clinical trials have demonstrated promising deformity correction for curves generally below 45°; however, current devices bridge the intervertebral disc gap and predominantly compress the disc increasing the risks of longterm disc degeneration. Moreover, in a time-consuming manner, newly designed implants are commonly tested using equivalent animal models to assess their efficacy in correcting spinal deformities via the inverse (creation of a deformity) or the 2-step approaches (creation of a deformity followed by its subsequent correction). Nevertheless, a solid design platform is required to evaluate the short- and long-term growth manipulating efficacy of new implant designs and shorten knowledge transfer to clinical applications. The general objective of this thesis was to develop and verify a unique porcine spine finite element model (pFEM) as an alternative testing platform for the simulation of progressive experimental scoliosis and fusionless implants, and assess a new localized dualepiphyseal implant on immature pigs. Thus, specific objectives were devised as follows: 1) develop and verify a distinctive pFEM of the spine and ribcage, 2) develop and test, in vivo, a dual-epiphyseal implant incorporating a custom expansion mechanism, 3) exploit the developed pFEM to investigate differences between the inverse and 2-step fusionless implant testing approaches, and 4) exploit the pFEM to evaluate the biomechanical contribution of the ribcage in fusionless scoliosis surgery.