Étude biomécanique du traitement de la scoliose idiopathique par orthèse: effets des paramètres de conception des corsets sur les corrections géométriques et sur les contraintes internes du rachis.

La scoliose est une déformation tridimensionnelle évolutive de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Pour des déformations modérées, le principal traitement utilisé est le traitement par corset. Son objectif est, à court-terme, de réduire les déformations scoliotiques et, à long-terme, d'en empêcher la progression. Toutefois le traitement par corset tel qu'il est effectué actuellement n'est pas optimal. La conception des corsets repose encore principalement sur des principes empiriques et l'expérience variée des orthésistes. Aucune étude, clinique ou numérique, n'a étudié directement l'effet des paramètres de conception d'un corset sur son efficacité. De nombreuses controverses existent encore de ce fait sur les paramètres de conception optimaux. De même, aucune étude, expérimentale ou numérique, n'a tenté de prouver que le traitement par corset permet de modifier favorablement les contraintes agissant sur les plaques de croissance d'un sujet scoliotique, démontrant ainsi de façon théorique l'efficacité du traitement à empêcher la progression des déformations. L'objectif général de ce projet est donc d'étudier l'effet du design des corsets sur la correction immédiate des déformations scoliotiques et sur les contraintes agissant sur les plaques de croissance. L'hypothèse que nous souhaitons vérifier est que le traitement par corset peut annuler l'asymétrie des contraintes de compression s'exerçant sur les plaques de croissance à l'apex des courbures scoliotiques mais que cet effet est dépendant des paramètres de conception du corset, ce qui nécessite un ajustement optimal. Cette étude a été divisée en 5 parties. Une méthode a tout d'abord été développée pour représenter les forces de gravité sur un modèle éléments finis (MEF) du tronc d'un patient scoliotique tout en respectant sa géométrie 3D. Un processus d'optimisation a permis de déterminer les forces à soustraire au MEF, dont la géométrie a été construit à partir d'une reconstruction 3D par radiographies biplanaires du patient, afin d'obtenir suite à l'application de la gravité un modèle correspondant à la géométrie réelle du patient. La différence entre la position 3D des vertèbres issue des radiographies et la position simulée des vertèbres du modèle EF après application de la gravité s'est avéré être inférieure à 3 mm. Les contraintes de compression et les moments d'inflexion latérale agissant sur les plateaux vertébraux ont été calculés. Il a été constaté que dans le plan frontal la concavité des courbures scoliotiques était soumise à des contraintes de compression moyennes supérieures de 0.1 à 0.4 MPa à celles de la convexité.

Abstract

Scoliosis is defined as a three-dimensional deformity of the spine and rib cage. For moderate deformities, bracing is the most common treatment. Its aim is to reduce the scoliotic deformities in a short-term perspective and to prevent their progression in a long-term perspective. The brace treatment is however not optimal as it is practiced today. The braces design is mostly based on empirical principles and on the experience of the orthotists. The effects of the design parameters of a brace on its efficiency have never been studied, experimentally or numerically. As a consequence, the optimal brace design parameters are still controversial. No study demonstrated that the brace treatment modifies favorably the stresses in the vertebral growth plates of a scoliotic patient, proving thus that the brace treatment is theoretically efficient in preventing the scoliotic deformities from progressing. The objective of this project was consequently to study the effect of the brace design on the immediate correction of the scoliotic deformities and on the spinal stresses. The hypothesis we want to verify is that the brace treatment is able to nullify the asymmetry of the compressive stresses exerted on the growth plates at the apex of the scoliotic curves but this effect depends on the design parameters of the brace and an optimal adjustment is thus required. This study was divided into 5 parts. A simulation process was firstly developed to represent the gravity forces in a finite element model (FEM) of the trunk of a scoliotic patient. An optimization process computed the forces to substract to the FEM, based on the 3D reconstruction of biplanar x-rays of the patient, in order to obtain after the inclusion of the gravity forces a model corresponding to the actual geometry of the patient. The difference in the vertebral positions between the geometry acquired form radiographs and the computed geometry of the model including the gravity forces was inferior to 3 mm. The forces and compressive stresses in the scoliotic spine were then computed. An asymmetrical load in the coronal plane, particularly at the apices of the scoliotic curves, was present. Difference of mean compressive stresses between concavity and convexity of the scoliotic curves ranged between 0.1 and 0.4 MPa.