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

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.