Biomechanical Modeling of Vertebral Mechanobiological Growth and of the Deformation Process in Adolescent Idiopathic Scoliosis

La scoliose idiopathique chez l'adolescent est une déformation tridimensionnelle du rachis se développant durant la croissance. Plusieurs études rapportent que la progression de la déformation scoliotique est influencée par des facteurs biomécaniques. La déformation scoliotique, l'asymétrie de la balance du rachis et l'activité musculaire sont responsables du chargement asymétrique sur les plaques de croissances. Ces facteurs modifient la répartition entre le côté concave-convexe du taux de croissance et, par conséquent, conduit à un cercle vicieux de progression de la déformation scoliotique. Le processus biomécanique de la progression de la scoliose a été étudié dans la littérature en considérant principalement une composante de chargement axiale pour la représentation de la croissance. L'objectif général de ce projet est d'étudier la biomécanique multiaxiale de la progression scoliotique. Le but spécifique du projet est de vérifier que le processus de déformation, impliquant la croissance et sa modulation mécanobiologique par des charges multi-axiales, est stimulable numériquement par la méthode des éléments finis, et que ces charges multi-axiales exercées sur les plaques de croissance épiphysaires sont responsables des déformations caractéristiques des vertèbres et rachis scoliotiques. Le chargement utilisé pour simuler la pathologie consiste en des forces primaires axiales asymétriques combinées à des forces secondaires de cisaillement et de torsion. Afin d'atteindre ce but, le projet a été divisé en trois parties. La première partie a consisté à faire une étude comparative de deux techniques de modélisation afin de simuler les concepts de croissance mécanobiologique. La seconde partie a consisté à développer un nouveau modèle de croissance mécanobiologique, basé sur l'énergie de stimulation, afin de représenter les déformations vertébrales résultant du chargement multiaxial. La troisième partie a consisté à soumettre le nouveau modèle numérique à différents cas de chargements et à analyser leurs influences sur la croissance et sur la progression de la scoliose. Dans la première partie, les formulations analytiques de la croissance mécanobiologique développées par Stokes et coll. (1990) et Carter et coll. (1988) ont été comparées entre elles à l'aide d'un modèle par éléments finis d'une vertèbre thoracique. La vertèbre et la plaque de croissance adjacente supérieure ont été modélisées par des éléments solides 3D linéaires.

Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis is a three dimensional deformity of spine that mostly occurs during the growth spurt. It is generally accepted that the progression of scoliotic deformities is influenced by biomechanical factors. Asymmetrical loading of vertebral growth plates resulting from an initial scoliotic curve or asymmetric balance or muscle recruitment are modifying the concave-convex side growth rate, thus leading to a vicious circle of scoliosis progression. The mechanobiological process of scoliosis was previously investigated, but mainly considering the axial loading component for growth. The general objective of this project was to study the multi-axial biomechanics of scoliosis progression. The specific objective was to model the deformation process, including the spinal growth and mechanobiological growth modulation due to multi-axial loads, and analyze how these loads are involved in the resulting characteristic scoliotic deformities. This tested pathomechanism presents the primary loading characteristics of asymmetric axial forces combined with secondary shear and torsion. In order to address the proposed research objectives, this project was divided into three parts. The first one was a comparative study and analysis of two modeling techniques to simulate existing concepts of mechanobiological growth. The second part was the development of a novel model of mechanobiological growth based on energy stimulus that enabled to represent the vertebral changes due to multi-axial loading. In the last part, this model was exploited to simulate the effect of different loads and analyze how they influence the growth process and how they relate to the scoliotic pathomechanism. In the first part, the analytical formulation of mechanobiological growth developed by Stokes et al. (1990) and Carter et al. (1988) was compared using a finite element model representing a thoracic vertebra as solid elements. Stokes's model only concerned axial stress, while Carter's model involved multi-axial stresses. The epiphyseal growth plates were represented using three layers similar to those found in the vertebral bodies: a loading sensitive area, a growth area, and a mineralized area. The two mechanobiological growth models were numerically integrated into the growth plate model. The two models were further used to simulate vertebral growth modulation resulting from different physiological loading conditions applied on