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Étude biomécanique de la jonction sacro-iliaque par approche hybride numérique et expérimentale

Roxanne Dubé-Cyr

Ph.D. thesis (2020)

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The sacroiliac joint (SIJ) is a bilateral articulation of the pelvis that ensures the transmission of loads between the upper body and the lower limbs. Its structural features as well as the surrounding ligaments and muscles give it great stability. It is characterized by a low mobility combining rotational and translational movements in the sagittal plane. It is estimated that the SIJ is the source of low back pain in 15-30% of patients. The prevalence can reach 35% in patients with lumbar fusion. In case of chronic pain and after failure of conservative treatments, SIJ fixation with implants is considered. It has been shown to lead to a significant reduction in pain as well as an improvement in the quality of life. Revision rates are around 5%, but can reach 30%. The most common causes are persistent pain, recurrence of symptoms, or painful implant placement. In the short term, the implants provide mechanical stabilization of the joint allowing the osseointegration process to take place and leading, in the long term, to bone fusion. When implants fail to stabilize the SIJ sufficiently, nonunion may occur and require revision surgery. The surgeon must make several choices that may affect the joint stability achieved: the implant system, the surgical approach, the number of implants, their positioning and their dimensions. To date, there is no consensus on the preferred implant configuration to promote bone fusion; surgical choices are empirical and are based primarily on the experience of the surgeon. Additionally, bone density, pelvic morphology, and ligament flexibility can vary widely across the population and their impact on surgical outcomes is unknown. The performance of fusion devices is evaluated based on the reduction in articular displacements, but the level of stabilization required for the completion of a bone fusion in SIJ is not established. Some experimental and numerical studies have compared different implant configurations by varying the number, the trajectory or the length. The characterization of the effect of implant number on the stabilization of SIJ is limited to a few incomplete comparisons. The effect of implant placement on SIJ stabilization is very dependent on the surgical approach and implant system used and the majority of studies use a lateral approach with implants that have a triangular section. The results are therefore not directly transposable to a fusion system of cylindrical and threaded implants inserted by posterior approach, which are at the heart of this thesis. The general objective of this project is to characterize SIJ biomechanics, with and without implants, and to develop a customizable numerical model to study SIJ fusion surgical strategies to answer the research question: How to maximize SIJ stability using instrumentation parameters while taking into account patient-related conditions? To achieve this, a hybrid approach combining experimental cadaveric campaigns, and the development and exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used. A test bench was developed to experimentally characterize SIJ biomechanics, with and without fusion implants, for functional loadings. The compressive load consisted of a ramp reaching 500 N, while the flexion-extension load consisted of a moment in the sagittal plane of +/- 7.5 Nm combined with a compression varying from 25 to 175 N. A first experimental campaign, carried out at the Laboratoire de Biomécanique Appliquée (Marseille, France), aimed to compare two possible insertion points (proximal point and medial point) and to quantify the effect of drilling on SIJ mobility. Seven specimens (five males, two females; mean age: 79.4 years) were tested under three conditions: (1) without an implant, (2) drilled and tapped, and (3) instrumented with an implant positioned at one of the two insertion points. Cylindrical, threaded, cannulated and fenestrated implants with a diameter of 12 mm and a length of 50 mm were used (Rialto ™ SI Fusion System (Medtronic, Memphis, TN)). Without implants, the vertical and angular displacements of the SIJ were 0.75 mm and 0.85 ° in compression, and 0.23 mm and 0.46 ° in flexion-extension. The results showed that the instrumentation with one implant significantly reduced the vertical displacements of the SIJ in compression (-17% ± 22%), and that there was no significant difference between the two insertion points. These results also showed that the instrumentation with a single implant did not allow a significant reduction in angular displacements. A second experimental campaign allowed to characterize the effect of implant number on SIJ mobility. Six specimens (two men, four women; mean age: 86.5 years) were tested without implants and then gradually instrumented with up to three implants, in compression (Rialto ™ implants; diameter of 12 mm; 60 mm length). As for the first campaign, the one-implant configuration allowed a significant reduction in vertical displacements only (-24% ± 15%). In comparison with the one-implant configuration, the two-implant configuration allowed an additional significant reduction in vertical (10% ± 7%) and angular (19% ± 15%) displacements. Finally, there was no significant difference between the two- and three-implant configurations for vertical and angular displacements. These results showed that the onfiguration with two implants is preferred since the addition of a third implant did not help to further stabilize the SIJ. An existing finite element model of the pelvis, the Spine Model for Safety and Surgery (SM2S), was used to further study instrumentation parameters by varying certain characteristics associated with the patient, such as soft tissue flexibility, bone density and pelvic geometry. By following the V&V40 standard guidelines, steps of verification, quantification of uncertainties and validation were carried out. The level of validation of the model was defined according to its context of use as a tool to compare SIJ fusion surgical strategies in terms of mobility reduction, complementary to experimental testing. Convergence studies on the mesh and on the loading time, as well as sensitivity studies on the mechanical properties of the soft tissues and on the positioning of the model in the sagittal plane were carried out. A comparison between the responses of the numerical simulations and the experimental results of the second campaign made it possible to establish the credibility of the model. An existing kriging algorithm was adapted to the pelvis, allowing the reference geometry to be changed to a desired geometry from CT-scan images and control points. To study the effect of pelvic angles on SIJ biomechanics, 20 models with distinct pelvic geometries were generated from CT-scans of cadaveric specimens. The models were first tested without instrumentation under a 500 N compression load. A large variation in mobility was observed for the different pelvic geometries: the vertical displacements varied from 0.86 mm to 1.73 mm, while the angular displacements varied from 1.33° to 3.51°. The results did not show correlations between the SIJ mobility (vertical and angular displacements) and pelvic angles (pelvic incidence and sacral slope). The effect of insertion points on SIJ fixation has been studied further numerically. Six configurations were simulated for different combinations of the three insertion points (proximal, medial, caudal). Compressive loads (500 N) and compressive loads combined with flexion-extension moments (500 N +/- 7.5 Nm) were applied to the sacral plate. Two sets of soft tissue properties were used to simulate two different flexibilities. The results showed that the insertion point allowing the best reduction in SIJ mobility was the caudal point, followed by the proximal point. This suggests that, to maximize the stabilization of the SIJ, the insertion points should be far from each other, and away from the center of rotation of the SIJ. These trends were not influenced by the model's level of soft tissue flexibility. A final numerical study made it possible to evaluate the effect of implant number and the influence of the patient characteristics on the reduction in SIJ mobility for compressive loads, and for compression loads combined with flexion-extension moments. Three pelvic geometries and two bone densities were used to verify their impact on the implants' performance. The different models were gradually instrumented with up to three implants. The reduction in mobility for the one-implant configuration ranged from 3 to 21% for vertical displacements, and from 15 to 47% for angular displacements. For the two-implant configuration, the reduction in vertical and angular displacements ranged from 12-41%, and 28-61%, respectively. Finally, the three-implant configuration allowed stabilization of vertical and angular displacements similar to that of two implants, with reductions of 14-42%, and 32-63%, respectively. The results established that patient characteristics influence the performance of the implants and should be taken into account during surgical planning. First, pelvic geometry had an impact on the observed trends, particularly on the contribution of the third implant on the joint's stabilization. In addition, a decrease in bone density decreased the performance of implants by an average of 7%, in addition to increasing stress in the bone. Analysis of the results suggests that configurations with two implants are preferred because they allow adequate biomechanical stabilization of the SIJ by limiting the number of implants to be inserted. However, the analysis of the stresses in the bone shows that, for a patient with a low bone density, a configuration with three implants is preferred since it makes it possible to reduce stress concentrations, and could thus reduce the risks of bone damage. In this doctoral project, a hybrid approach combining cadaveric campaigns and the exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used to study SIJ fusion devices. The knowledge developed has made it possible to address the research question and issue clinical recommendations to rationalize surgical choices. To maximize stabilization of the SIJ, two implants are sufficient, and they should be placed far apart. For a patient with low bone density, instrumentation with three implants would be preferred to reduce the stresses in the bone. In the long term, the model could be improved by adding surrounding structures and taking into account local variations in the bone density of trabecular bone. Additionally, the model could be adapted to serve as a personalized surgical planning tool, taking into account the patient's specific pelvic geometry and bone density.


La jonction sacro-iliaque (JSI) est une articulation bilatérale du pelvis assurant la transmission de charges entre le haut du corps et les membres inférieurs. Ses particularités structurelles ainsi que les ligaments et muscles l'entourant lui confèrent une grande stabilité. Elle est caractérisée par une faible mobilité combinant des mouvements de rotation et de translation dans le plan sagittal. Il est estimé que la JSI est la source de douleurs de 15 à 30% des patients souffrant de maux au bas du dos. La prévalence peut atteindre 35% chez les patients ayant subi une fusion lombaire. En cas de douleurs chroniques et après l'échec de traitements conservateurs, la fixation de la JSI à l'aide d'implants est envisagée. Celle-ci mène à une diminution significative des douleurs ainsi qu'à une amélioration de la qualité de vie. Les taux de révision sont d'environ 5%, mais peuvent atteindre 30%. Les causes les plus fréquentes sont une douleur persistante, une récurrence des symptômes ou un positionnement d'implants entrainant de la douleur. À court terme, les implants procurent une stabilisation mécanique de l'articulation permettant un processus d'ostéointégration et menant, à long terme, à une fusion osseuse. Lorsque les implants ne parviennent pas à stabiliser suffisamment la JSI, une pseudarthrose peut se produire et nécessiter une chirurgie de révision. Le chirurgien doit faire plusieurs choix pouvant affecter la stabilité articulaire atteinte: le système d'implants, l'approche chirurgicale, le nombre d'implants, leur positionnement et leurs dimensions. À ce jour, il n'existe pas de consensus sur la configuration d'implants à privilégier pour favoriser une fusion osseuse; les choix chirurgicaux sont empiriques et reposent principalement sur l'expérience du chirurgien. De plus, la densité osseuse, la morphologie pelvienne et la flexibilité ligamentaire peuvent varier considérablement au sein de la population et leur impact sur les résultats de la chirurgie n'est pas connu. La performance des dispositifs de fusion est évaluée en fonction de la réduction des déplacements de l'articulation, mais le niveau de stabilisation nécessaire à la complétion d'une fusion osseuse de la JSI n'est pas établi. Quelques études expérimentales et numériques ont comparé différentes configurations d'implants de fusion en faisant varier le nombre, la trajectoire ou la longueur. La caractérisation de l'effet du nombre d'implants sur la stabilisation de la JSI se limite à quelques comparaisons incomplètes. L'effet du positionnement des implants sur la stabilisation de la JSI est très dépendant de l'approche chirurgicale et du système d'implants utilisés et la majorité des études utilisent une approche latérale avec des implants ayant une section triangulaire. Les résultats ne sont donc pas directement transposables au système d'implants cylindriques et filetés insérés par approche postérieure, qui sont au cœur de cette thèse. L'objectif général de ce projet est de caractériser la biomécanique de la JSI, avec et sans implants, et de développer un modèle numérique personnalisable permettant d'étudier les techniques chirurgicales de fusion de la JSI pour répondre à la question de recherche : Comment maximiser la stabilisation biomécanique de la jonction sacro-iliaque grâce aux choix relatifs aux paramètres d'instrumentation en fonction des paramètres relatifs au patient? Pour y arriver, une approche hybride combinant la réalisation de campagnes expérimentales cadavériques, et le développement et l'exploitation d'un modèle par éléments finis détaillé du pelvis a été employée. Un banc d'essais a été développé pour caractériser expérimentalement la biomécanique de la JSI, avec et sans implants de fusion, pour des chargements fonctionnels. Le chargement de compression consistait en une rampe atteignant 500 N, alors que le chargement de flexion-extension consistait en un moment dans le plan sagittal de +/-7.5 Nm combiné à une compression variant de 25 à 175 N. Une première campagne expérimentale, réalisée au Laboratoire de Biomécanique Appliquée (Marseille, France), visait à comparer deux points d'insertion possibles (point proximal et point médial) et à quantifier l'effet du perçage sur la mobilité de la JSI. Sept spécimens (cinq hommes, deux femmes; âge moyen : 79.4 ans) ont été testés dans trois conditions : (1) sans implants, (2) percés et taraudés, et (3) instrumentés avec un implant positionné à un des deux points d'insertion. Des implants cylindriques, filetés, canulés et fenêtrés ayant un diamètre de 12 mm et une longueur de 50 mm ont été utilisés (Rialto™ SI Fusion System (Medtronic, Memphis, TN, É-U)). Sans implants, les déplacements verticaux et angulaires de la JSI étaient de 0.75 mm et 0.85° en compression, et de 0.23 mm et 0.46° en flexion-extension. Les résultats ont montré que l'instrumentation avec un implant réduisait significativement les déplacements verticaux de la JSI en compression (-17% ± 22%), et qu'il n'y avait pas de différence significative entre les deux points d'insertion. Ces résultats ont également montré que l'instrumentation avec un seul implant ne permettait pas une diminution significative des déplacements angulaires. Une deuxième campagne expérimentale a permis de caractériser l'effet du nombre d'implants sur la mobilité de la JSI. Six spécimens (deux hommes, quatre femmes; âge moyen : 86.5 ans) ont été testés sans implants puis instrumentés progressivement avec jusqu'à trois implants, en compression (implants Rialto™; diamètre de 12 mm; longueur de 60 mm). Comme pour la première campagne, la configuration à un implant a permis une diminution significative des déplacements verticaux seulement (-24% ± 15%). En comparaison avec la configuration à un implant, la configuration à deux implants a permis une diminution significative additionnelle des déplacements verticaux (-10% ± 7%) et angulaires (-19% ± 15%). Finalement, il n'y avait pas de différence significative entre les configurations à deux et trois implants pour les déplacements verticaux et angulaires. Ces résultats ont permis de montrer que la configuration à deux implants était à privilégier puisque l'ajout d'un troisième implant ne contribuait pas à stabiliser davantage la JSI. Un modèle par éléments finis existant du pelvis, le Spine Model for Safety and Surgery (SM2S), a été utilisé pour étudier davantage les paramètres d'instrumentation en faisant varier de façon contrôlée certaines caractéristiques associées au patient, telles que la flexibilité des tissus mous, la densité osseuse et la géométrie pelvienne. En suivant le standard V&V40, des étapes de vérification, quantification des incertitudes et validation ont été réalisées. Le niveau de validation du modèle a été défini en fonction de son contexte d'utilisation, c'est-à-dire comme outil permettant de comparer des techniques chirurgicales de fusion de la JSI en fonction de la réduction de mobilité, complémentaire aux essais expérimentaux. Des études de convergence sur le maillage et sur la durée de chargement, ainsi que des études de sensibilité sur les propriétés mécaniques des tissus mous et sur le positionnement du modèle dans le plan sagittal ont été réalisées. Une comparaison entre les réponses des simulations numériques et les résultats expérimentaux de la deuxième campagne expérimentale a permis d'établir la crédibilité du modèle. Un algorithme de krigeage existant a été adapté pour le pelvis, permettant de modifier la géométrie de référence vers une géométrie souhaitée à partir d'images de CT-scan et de points de contrôle. Pour étudier l'effet des angles pelviens sur la biomécanique de la JSI, 20 modèles ayant des géométries pelviennes distinctes ont été générés à partir des CT-scans de spécimens cadavériques. Les modèles ont été testés sans instrumentation sous un chargement de compression de 500 N. Une grande variation de mobilité a été observée pour les différentes géométries pelviennes : les déplacements verticaux ont varié de 0.86 mm à 1.73 mm, alors que les déplacements angulaires ont varié de 1.33° à 3.51°. Les résultats n'ont pas montré de corrélation entre la mobilité de la JSI (déplacements verticaux et angulaires) et les angles pelviens (incidence pelvienne et pente sacrée). L'effet des points d'insertion sur la fixation de la JSI a été étudié davantage numériquement. Six configurations ont été simulées pour les différentes combinaisons des trois points d'insertion (point proximal, point médial, point caudal). Des chargements de compression (500 N) et de compression combinée à des moments de flexion-extension (500 N +/- 7.5 Nm) ont été appliqués au plateau sacré. Deux jeux de propriétés des tissus mous ont été utilisés pour simuler deux différentes flexibilités. Les résultats ont montré que le point d'insertion permettant la meilleure réduction de mobilité de la JSI était le point caudal, suivi du point proximal. Cela suggère que, pour maximiser la stabilisation de la JSI, les points d'insertion devraient être éloignés l'un de l'autre, et éloignés du centre de rotation de la JSI. Ces tendances n'étaient pas influencées par le niveau de flexibilité des tissus mous du modèle. Une dernière étude numérique a permis d'évaluer l'effet du nombre d'implants et l'influence des caractéristiques du patient sur la réduction de mobilité de la JSI pour des chargements de compression, et de compression combinée à des moments de flexion-extension. Trois géométries pelviennes et deux densités osseuses ont été utilisées pour vérifier leur impact sur la performance des implants. Les différents modèles ont été instrumentés progressivement jusqu'à trois implants. La réduction de mobilité pour la configuration à un implant variait de 3 à 21% pour les déplacements verticaux, et de 15 à 47% pour les déplacements angulaires. Pour la configuration à deux implants, la réduction de déplacements verticaux et angulaires variait de 12 à 41%, et de 28 à 61%, respectivement. Finalement, la configuration à trois implants a permis une stabilisation des déplacements verticaux et angulaires similaires à celle à deux implants, avec des réductions de 14 à 42%, et de 32 à 63%, respectivement. Les résultats ont également permis d'établir que les caractéristiques du patient influencent la performance des implants et devraient être pris en compte lors de la planification chirurgicale. D'abord, la géométrie pelvienne a eu un impact sur les tendances observées, particulièrement sur l'apport du troisième implant à la stabilisation de l'articulation. De plus, une diminution de la densité osseuse a diminué la performance des implants d'une moyenne de 7%, en plus d'augmenter les contraintes dans l'os. L'analyse des résultats suggère que les configurations à deux implants sont à privilégier car elles permettent une stabilisation biomécanique adéquate de la JSI en limitant le nombre d'implants à insérer. Toutefois, l'analyse des contraintes dans l'os montre que, pour un patient ayant une densité osseuse faible, une configuration à trois implants est à privilégier puisqu'elle permet de réduire la concentration des contraintes, et pourrait ainsi réduire les risques d'endommagement de l'os. Dans le cadre de ce projet doctoral, une approche hybride combinant des essais cadavériques et l'exploitation d'un modèle par éléments finis détaillé du pelvis a été utilisée pour étudier les dispositifs de fusion de la JSI. Les connaissances développées ont permis d'adresser la question de recherche et d'émettre des recommandations cliniques permettant de rationaliser les choix chirurgicaux. Pour maximiser la stabilisation de la JSI, deux implants sont suffisants, et ceux-ci devraient être éloignés l'un de l'autre. Pour un patient ayant une faible densité osseuse, une instrumentation à trois implants serait à privilégier pour diminuer les contraintes dans l'os. À long terme, le modèle pourrait être amélioré en ajoutant les structures avoisinantes et en tenant compte des variations locales de densité osseuse de l'os trabéculaire. De plus, le modèle pourrait être adapté pour servir d'outil de planification chirurgicale personnalisée, prenant en compte la géométrie du pelvis et la densité osseuse spécifiques du patient.
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin, Pierre-Jean Arnoux, Isabelle Villemure
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5522/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 17 Jun 2021 13:03
Last Modified: 14 Nov 2022 08:27
Cite in APA 7: Dubé-Cyr, R. (2020). Étude biomécanique de la jonction sacro-iliaque par approche hybride numérique et expérimentale [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/5522/


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