Biomechanical Simulator for the Surgical Correction of Sagittal Balance in Adult Spinal Deformity

Pour maintenir une posture érigée minimisant les dépenses énergétiques, l'alignement de la colonne vertébrale dans le plan sagittal est d'une grande importance. Dans le contexte des déformations de la colonne vertébrale chez l'adulte, un mauvais alignement dans le plan sagittal demande une dépense énergétique plus élevée et est associé à la douleur et à une perte de fonction. Le maintien d'une posture érigée dans de telles conditions implique une activation accrue des muscles du tronc et l'utilisation de mécanismes compensatoires pour contrebalancer le débalancement antérieur du haut du corps. L'instrumentation chirurgicale est indiquée chez les patients souffrant de grandes douleurs et de handicaps lorsque les traitements non chirurgicaux ne sont plus suffisants. Cette procédure consiste à insérer des vis dans les pédicules des vertèbres et à redresser la colonne vertébrale à l'aide de tiges métalliques, ce qui conduit à la fusion permanente de la colonne vertébrale. Pour la correction de déformations importantes et manquant de flexibilité dans le plan sagittal, l'ostéotomie de soustraction pédiculaire (OSP) est une procédure souvent utilisée pour rétablir le profil sagittal normal de la colonne lombaire. Cette technique implique la résection des éléments postérieurs de la vertèbre ainsi qu'un coin d'os dans le corps vertébral pour créer une forte angulation de la colonne vertébrale. C'est une procédure très exigeante en raison des risques de complications mécaniques. De nombreux facteurs de risque ayant une incidence sur les taux de complications mécaniques après une instrumentation chirurgicale avec OSP ont été identifiés dans le cadre d'études cliniques. Les patients ayant eu des complications mécaniques avaient reçu une correction significativement plus grande de l'axe vertical sagittal, un cintrage plus grand des tiges dans le plan sagittal et une ostéotomie réalisée à un niveau plus caudal. Il a également été démontré que jusqu'à 40% des patients gardaient un alignement sagittal antérieur après une chirurgie avec OSP et qu'un alignement sagittal non neutre était associé à des taux plus élevés de révision chirurgicale. Même si des objectifs chirurgicaux globaux ont été définis avec la classification SRS-Schwab pour la correction du déséquilibre sagittal, la stratégie chirurgicale optimale spécifique au patient reste mal définie. En outre, malgré les études cliniques et biomécaniques, les relations entre les contraintes mécaniques dans l'instrumentation et les différents paramètres de correction dans le plan sagittal (degré de correction sagittale par variation de l'angle de l'OSP et de l'angle de cintrage des tiges, niveau vertébral de l'OSP et nombre de tiges) sont encore mal comprises. Les connaissances biomécaniques sur les facteurs de risque et leurs effets sur les complications mécaniques liées aux OSP telles que le bris des tiges sont encore limitées et une meilleure compréhension de l'impact biomécanique des OSP pourrait être un excellent outil pour aider les chirurgiens dans leur planification préopératoire de la correction du déséquilibre sagittal.

Abstract

To maintain an erect posture minimizing energy expenditure, the alignment of the spine in the sagittal plane is of great importance. In adult spine deformity (ASD), sagittal misalignment requires higher energy expenditure and is associated with pain and loss of function. Maintaining an erect posture in such conditions involves increased trunk muscles activation and the use of compensatory mechanisms to counter balance the shift of the upper body. Surgical instrumentation is indicated for patients with high pain and disabilities when non-surgical treatments are not sufficient. This procedure consists in inserting screws in the pedicles of the vertebrae and straightening the spine with metal rods connected to the pedicle screws, leading subsequently to the permanent fusion of the spine. For the correction of large and rigid deformities in the sagittal plane, pedicle subtraction osteotomy (PSO) is a procedure used to restore normal sagittal profile of the lumbar spine. This technique involves a wedge-shaped resection of the vertebral body along with all posterior elements of the vertebra to locally increase the lumbar lordosis. It is a highly demanding procedure due to the risks of mechanical complications. Patients with mechanical complications after PSO had a significantly greater correction of the sagittal vertical axis, higher sagittal contour of the rods, and osteotomy performed at a more caudal level. It was also reported that up to 40% of patients kept an anterior sagittal alignment after surgery with PSO and a non-neutral sagittal alignment is associated with higher rates of revision surgery. Even though global surgical objectives have been defined through the SRS-Schwab ASD classification for the correction of sagittal imbalance, patient-specific optimal surgical strategy is still poorly defined. Also, despite clinical and biomechanical investigations, relations between stresses in the instrumentation and different sagittal correction parameters (amount of sagittal correction through varying PSO wedge angle and rod sagittal contouring angle, vertebral level of the PSO and number of rods) is still not well understood. Biomechanical knowledge of the reported risk factors and their effects on mechanical complications related to PSO such as rod breakage are still limited and a better understanding of the PSO's biomechanical impact could be a great tool to assist surgeons in their preoperative planning of sagittal imbalance correction. Therefore, this project aims to address the following research question: « How do PSO resection angle, rod curvature, vertebral level of the PSO, and number of rods biomechanically impact the correction of sagittal balance and loads in the construct, and how should they be adjusted to reduce the risks of mechanical failure in adult spinal deformity?