Conception et évaluation d'un prototype de modulation cyclique de la croissance des vertèbres pour le traitement de la scoliose idiopathique pédiatrique

La scoliose idiopathique pédiatrique affecte 2 à 3% de la population. Pour les patients présentant une courbure sévère (angle de Cobb > 45°), un traitement chirurgical est préconisé. La procédure consiste à redresser le rachis grâce à des tiges rigides puis à fusionner les vertèbres instrumentées afin de maintenir la correction. Cette fusion entraîne notamment une perte de mobilité du segment instrumenté et n'est pas idéale pour les patients en croissance. Des techniques chirurgicales ne nécessitant pas de fusion osseuse et fonctionnant par modulation de la croissance sont proposées pour les patients dont il reste un potentiel de croissance. Ces techniques se basent sur le principe de Hueter-Volkmann : une augmentation de la compression sur les plaques de croissance entraîne une réduction de la croissance et, inversement, une réduction de la compression stimule la croissance. La compression antérieure par câble est une de ces techniques chirurgicales de modulation de croissance qui consiste à comprimer le rachis unilatéralement. Une correction immédiate est générée lors de la chirurgie, et la croissance restante du rachis permet la poursuite de la correction progressivement au fil du temps. Des études expérimentales ont comparé l'impact sur le rachis d'une compression statique, telle que celle générée par le câble, par rapport à une compression cyclique. Il a alors été démontré qu'une compression cyclique avait une capacité à moduler la croissance similaire à celle d'une compression statique, mais avec une meilleure préservation des disques intervertébraux et des plaques de croissance. Dans cette thèse, il a été proposé de développer un système de compression cyclique du rachis par câble, d'en évaluer la faisabilité puis de quantifier les effets biomécaniques sur un modèle animal porcin, notamment en caractérisant expérimentalement la pression induite sur les plaques de croissance pour différentes tensions. Le prototype est composé d'un câble Bowden (gaine rigide axialement dans laquelle coulisse un câble) et d'une boite de contrôle contenant les composants mécatroniques pour la compression cyclique du rachis. La première extrémité du câble est fixée sur la vertèbre proximale grâce à une vis et peut glisser dans les têtes de vis sous-jacentes. Sa seconde extrémité est fixée à un moteur par l'entremise d'une poulie enroulant ou déroulant le câble.

Abstract

Pediatric idiopathic scoliosis affects 2 to 3% of the population. Surgical treatment is recommended for patients with a severe curvature (Cobb angle > 45°). The procedure involves straightening the spine with rigid rods followed by a fusion of the instrumented vertebrae to maintain the correction. As a result, mobility of the instrumented segment is lost. This surgery is also not ideal for growing patients. Fusionless surgical techniques based on growth modulation are proposed for patients with a growth potential. These techniques are based on the Hueter-Volkmann principle: an increased compression of a growth plate leads to a growth rate reduction, and vice versa. Among these growth modulating surgical techniques, anterior vertebral body tethering (AVBT) consists in compressing the spine unilaterally. After an immediate post-op correction, the remaining growth of the spine carries on the correction progressively over time. Experimental studies have compared the impact of static compression on the spine, such as the one exerted by AVBT, compared to cyclic compression. It was shown that cyclic compression modulated growth similarly to static compression, but with an improved preservation of intervertebral discs and growth plates. In this thesis, it was first proposed to develop a prototype allowing cyclic compression of the spine with a tether. Secondly, both the feasibility and the biomechanical effects of the prototype on a porcine animal model were evaluated by experimentally characterizing the pressure induced on the growth plates for different tensions. The prototype consists of a Bowden cable assembly (axially rigid sheath in which a tether slides) and a control box containing the mechatronic components for the cyclic compression of the spine. The first end of the tether is attached to the proximal vertebra with a screw and can slide into the underlying screw heads. Its second end is attached to a motor through a pulley winding or unwinding the tether. The sheath is fixed between the distal vertebra and the control box. When the motor pulls on the tether, a tether tension is generated; with the sheath acting as a fulcrum, the entire instrumented segment is then compressed. The motor rotates alternately to cyclically compress the spine.