Patient Positioning for Surgeries of the Spine : How Does it Impact Spinal Geometry and How Can it be Exploited to Improve Surgical Procedures

Les cas les plus graves de déformation rachidienne, telles que la scoliose, nécessitent une intervention chirurgicale afin de traiter les symptômes et de réaligner la colonne vertébrale. Au cours de l'intervention chirurgicale, les patients sont habituellement maintenus dans une position en décubitus ventral et une instrumentation est utilisée pour corriger et fixer la géométrie de la colonne. Il a été démontré que le positionnement des patients sur des cadres chirurgicaux a un impact sur la géométrie rachidienne, mais ceci n'est pas exploité afin de faciliter et améliorer les procédures chirurgicales. Les cadres disponibles commercialement ont des capacités limitées de positionnement du patient qui puisse être modifiable durant l'intervention. Aussi, afin d‟exploiter éventuellement les diverses possibilités de positionnement, on doit connaître l‟impact de ces positions sur la modulation de la géométrie de la colonne vertébrale du patient opéré. Ce projet a été effectué en parallèle avec la conception et la construction d'un nouveau cadre de positionnement multifonctionnel (MFPF) pour les chirurgies du rachis qui permet le positionnement des membres inférieurs ainsi que le déplacement vertical du thorax. Le MFPF lui-même était une combinaison de deux cadres précédents permettant le positionnement chirurgical: le DPF (permettant le réglage de coussins sur le tronc et l'application de forces correctives) et le "leg positionner" (permettant la flexion et l'extension des membres inférieurs). La modélisation par éléments finis (MEF) a été utilisée pour étudier le positionnement de patient sur le DPF. Les objectifs spécifiques de ce projet étaient: 1) d'adapter et développer une MEF de la colonne vertébrale, cage thoracique, bassin, et des membres inférieurs qui soit capable de simuler les effets géométriques sur la colonne vertébrale résultant du positionnement en décubitus ventral et de l‟ajustement des capacités de positionnement du MFPF; 2) effectuer des essais expérimentaux sur le positionnement en décubitus ventral et les capacités de positionnement du MFPF et utiliser les résultats pour valider le MFF; 3) exploiter le MEF pour développer de nouvelles possibilités de positionnement sur le MFPF permettant de moduler la géométrie de la colonne vertébrale et évaluer ces nouvelles positions expérimentalement avec des accessoires construit pour le MFPF; et 4) exploiter la MEF afin d'étudier l'impact de la combinaison des

Abstract

The most severe cases of spinal deformity, such as scoliosis, require surgical intervention in order to treat symptoms and re-align the spine. During surgical procedures, patients are typically kept in the prone position while surgical instrumentation is utilized to manipulate and fix spinal geometry. Patient positioning on surgical frames has been shown to have an impact on spinal geometry which can be exploited in order to facilitate and improve upon surgical procedures. Current commercial surgical frames have no or limited patient positioning capabilities. In order to best take advantage of a surgical frame‟s positioning capabilities, knowledge must be gained on how they will impact a given patient‟s spinal geometry. This project was done in parallel with the design and construction of a new Multi-Functional Positioning Frame (MFPF) for spinal surgeries which allowed for lower limb positioning and thoracic vertical displacement. The MFPF itself was a combination of two previously developed surgical positioning devices: the Dynamic Positioning Frame (DPF) (allowing thoracic cushion adjustment and corrective force application) and the “leg positioner” (allowing hip flexion and extension). Finite element modeling (FEM) was previously used to study patient positioning on the DPF. The global objective of this thesis was to study how patient positioning on a frame can be used in order to improve scoliosis instrumentation procedures through the intra-operative manipulation of spinal geometry. The specific objectives of this project were: 1) adapt and develop a FEM of the spine, thoracic cage, pelvis, and adjacent structures that is able to simulate the geometric effects on the spine resulting from prone positioning and feature adjustment on the MFPF; 2) experimentally test the impact of prone positioning and feature adjustment on the MFPF and utilize the results to validate the FEM; 3) exploit the FEM in order to study additional surgical positions allowing modification of spinal geometrical parameters not possible on the original MFPF design and experimentally assess these new positions using proof of concept features constructed for the MFPF; and 4) exploit the FEM in order to study the impact of combined MFPF positioning parameters on the geometry of the spine (especially the leg positioning and thoracic components) including developing a method allowing for individual and