<  Back to the Polytechnique Montréal portal

Optimisation rationnelle de la conception des corsets orthopédiques pour le traitement de la scoliose idiopathique adolescente

Aymeric Guy

Ph.D. thesis (2023)

[img] Restricted to: Repository staff only until 11 December 2024
Terms of Use: All rights reserved
Request a copy
Show abstract
Hide abstract

Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional spinal deformity that affects 2 to 3% of the pediatric population aged 10 years and older. AIS tends to progress during the peripubertal growth spurt, following the Hueter-Volkmann principle: vertebral growth is inhibited on the concave side of the curve, in greater relative compression compared to the convex side where vertebral growth is favored. This asymmetrical ossification leads to a progressive wedging of the vertebral bodies, which accentuates the curvature and the imbalance of the compressive forces on the growth plates, thereby fueling the vicious circle of scoliosis progression. To treat moderate AIS between 25° and 40° of Cobb angle, orthopedic braces are the most common type of conservative treatment. Braces are orthoses composed of a plastic shell that induces correction through contact areas and tension straps. Modern braces are typically created using a computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) approach, where an orthotist imports a topographic scan of the patient's torso, modifies its shape in a digital environment, and manufactures a positive mold using a digital milling router, around which he or she thermoforms a plastic sheet that creates the brace’s shell. Several types of braces exist and are commonly used in clinical practice. Full-time braces are prescribed to be worn 20 to 23 hours a day until skeletal maturity, and include different types such as the Boston brace, the Chêneau brace, the Lyon brace, and more. Nighttime braces are prescribed to be worn only during sleep (8 to 10 hours per day) and are designed to apply an overcorrection to compensate for the reduced wear time. These include the Charleston brace and Providence brace, among others. The effectiveness of nighttime braces versus full-time braces is debated, but the former represents a good compromise to facilitate the initiation of brace treatment in patients with problematic compliance. Overall, braces are an effective treatment compared with observation alone, as they help to avoid curve progression and spinal fusion surgery in the majority of cases. Nevertheless, brace design is still performed empirically, and the effectiveness of a given brace is dependent on the expertise of the treating orthotist. In addition, there is still no consensus on the best design protocol and correction strategy, as clinical studies reporting the efficacy of different brace types are difficult to compare because of heterogeneous populations and varying levels of control. A few research groups have developed personalized finite element models (FEM) to study the biomechanics of correction in a rational manner. Specifically, Professor Carl-Éric Aubin's laboratory has previously developed a patient-specific FEM for bracing, built from a three-dimensional (3D) reconstruction of the spine, rib cage and pelvis constructed from biplanar radiographs, as well as a topographic scan of the torso. This numerical tool was integrated into the existing CAD/CAM approach to improve brace design through simulation iterations performed directly by the orthotists.

Résumé

La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle du rachis qui affecte 2 à 3% de la population pédiatrique âgée de 10 ans et plus. Cette déformation a tendance à progresser durant la période de croissance péri-pubertaire, suivant la loi de Hueter-Volkmann : la croissance des corps vertébraux est inhibée du côté concave de la courbe, en plus grande compression relative par rapport au côté convexe où la croissance est favorisée. Cette ossification asymétrique entraîne une cunéiformisation progressive des corps vertébraux, qui accentue la courbure et le déséquilibre des efforts compressifs sur les plaques de croissances et alimente le cercle vicieux de la scoliose. Afin de traiter les scolioses modérées entre 25° et 40° d’angle de Cobb, les corsets orthopédiques sont le type de traitement conservateur le plus commun. Les corsets sont des orthèses composées d’une coque de plastique qui induit une correction au travers de régions de contact et de courroies en tension. Les corsets modernes sont généralement créés par une approche de conception-fabrication assistée par ordinateur (CFAO), où un(e) orthésiste importe un scan topographique de la peau du torse du patient, modifie sa forme dans un environnement numérique, et fabrique un moule positif par fraisage numérique autour duquel il ou elle thermoforme une feuille de plastique qui crée la coque du corset. Plusieurs types de corsets existent et sont couramment utilisés dans la pratique clinique. Les corsets temps-plein sont prescrits pour être portés 20 à 23 heures par jour jusqu’à maturité squelettique, et incluent les corsets de type Boston, Chêneau, Lyon, et d’autres. Les corsets de nuit sont prescrits pour un port durant la période de sommeil seulement (8 à 10 heures par jour), mais sont conçus pour appliquer une hypercorrection qui vise à compenser la durée de port réduite. Ils incluent notamment les corsets de Charleston et de Providence. L’efficacité des corsets de nuit par rapport aux corsets temps-plein est débattue, mais ceux-ci représentent un bon compromis pour faciliter l’amorçage du traitement par corset chez les patients dont la compliance est problématique. Dans l’ensemble, les corsets sont un traitement efficace par rapport à l’observation seule, et permettent d’éviter une progression et une chirurgie de fusion vertébrale dans la majorité des cas. Néanmoins, la conception des corsets est encore réalisée de manière empirique, et l’efficacité du corset lui-même est dépendante de l’expertise de l’orthésiste traitant. De plus, il n’existe pas encore de consensus sur la meilleure stratégie de conception, car les études cliniques rapportant l’efficacité de différents types de corsets sont difficilement comparables entre elles à cause de populations hétérogènes et de niveaux de contrôle variables. Certains groupes ont développé des modèles par éléments finis (MEF) personnalisés afin d’étudier la biomécanique de la correction de manière rationnelle. En effet, le laboratoire du professeur Carl-Éric Aubin a précédemment développé un MEF personnalisé pour le traitement par corset, construit à partir d’une reconstruction 3D du rachis, de la cage thoracique et du pelvis provenant de radiographies biplanaires, ainsi que d’un scan topographique de la peau du torse. Cet outil numérique a été intégré au processus existant de CFAO afin d’améliorer le design des corsets au travers d’itérations de simulation réalisées par les orthésistes eux-mêmes.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53440/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Dec 2023 08:38
Last Modified: 13 Apr 2024 06:02
Cite in APA 7: Guy, A. (2023). Optimisation rationnelle de la conception des corsets orthopédiques pour le traitement de la scoliose idiopathique adolescente [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53440/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only

View Item View Item