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Modélisation biomécanique de la trajectoire des vis sacro-iliaques : application pour optimiser l'ancrage tenant compte de la qualité osseuse spécifique au patient

Ningxin Qiao

Master's thesis (2023)

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Abstract

Adult spinal deformities encompass various spinal pathologies that typically occur with age and affect 30% to 60% of the population. Surgical intervention is often necessary in elderly patients with severe deformities, and there has been a significant increase of 141% in long-segment spinal fusion procedures in the United States between 2004 and 2014. However, complications such as L5-S1 disc degeneration and sagittal imbalance can occur with an incidence of 61%, especially when the fusion extends to L5. To address these issues, S2-alar-iliac screws have been used as an alternative to iliac screws due to their lower revision rates with an odds ratio of 7.84, and their less invasive nature. However, there is a significant risk of screw loosening and insufficient healing, particularly in patients aged 70 years or older, with reported rates ranging from 50% to 66%. This risk is heightened by the commonly observed poor bone quality in the elderly, which increases the likelihood of screw loosening and pseudarthrosis in the lumbosacral region. Finite element analysis has been used in recent studies to analyze and biomechanically optimize spinopelvic implants. However, previous research has often focused on combining finite element models with medical imaging to improve the representation of bone quality or on using optimization methods in conjunction with finite element models to numerically optimize fixation strength. There is a missing link between these two aspects for realistic numerical optimization in the literature. Thus, the objective of this research project is to develop and validate a method that integrates the mechanical properties of bone tissue extracted from multi-energy biplanar radiographs, as well as using this personalized model to optimize the trajectory of S2-alar-iliac screws. Calibration between multi-energy biplanar radiographs and CT was performed to estimate volumetric bone mineral density from surface bone mineral density. Multi-energy biplanar radiographs were generated from CT data and calibrated using regression analysis. A region of interest was defined in the bone surrounding the screw to evaluate pelvic fixation, and trabecular elements in this region were grouped based on their density values. Mechanical properties were determined for each group, and a Johnson-Cook elastoplastic law was used to simulate the behavior of the bone. Cortical bone density was reduced by 35% accounting for the patient's age, and other material properties were adjusted accordingly. A validation study was conducted to assess a pelvic screw insertion approach. A specific test case was selected, using the CT-scans of an 81-year-old woman to generate corresponding radiographs. A pelvic screw was inserted into the right ilium, and its extraction force and initial stiffness were determined. Convergence studies were performed to determine the optimal number of clusters for assigning bone materials. The size of the region of interest around the screw was evaluated through extraction simulations with varying diameters and decreasing velocities. Validation was carried out by comparing the results with experimental studies and conducting statistical tests, considering uncertainties related to calibration and material properties. Sensitivity analysis was performed to compare patient-specific non-homogeneous models with homogeneous models, and different configurations were tested. Finally, a genetic algorithm was used to optimize the dimensions and trajectories of S2-alar-iliac screws for an 81-year-old woman with osteoporosis and a healthy 35-year-old woman, based on their personalized finite element models obtained following the aforementioned steps. The variables to optimize included the screw insertion point, trajectory angles, and screw size. Constraints were applied to eliminate infeasible solutions. A score was assigned to each solution based on the estimated bone mass around the screw (optimized approach) or the maximum diameter of the screw corridor (standard approach). Selection, crossover, and mutation operations were used to progressively improve the results. Simulations were performed to assess screw extraction and tipping load conditions, using force-displacement curves to calculate initial stiffness and failure force. The results were compared using paired Student t-tests. The results revealed a mean square error of 74.7 mg/cm3 between the actual Hounsfield unit values obtained from CT and the predicted values. As the size of the region of interest increased, the values of initial stiffness and extraction force converged. The validity range of the simulations compared to the experimental groups is summarized, with p-values ranging from 0.38 to 0.42 for comparison with experimental group 1 and from 0.11 to 0.83 for comparison with experimental group 2. In the sensitivity analysis, different models and trajectories yielded varying values of extraction force and initial stiffness, such as 794 N and 10964 N/mm for a homogeneous model over the entire ilium, 561 N and 7556 N/mm for a homogeneous model composed of two regions, and 939 N and 15271 N/mm for the different trajectory. The optimal trajectory of S2-alar-iliac screws was more lateral and caudal with the optimized approach, with insertion angles ranging from 49° to 66° in the sagittal plane and from 29° to 35° in the transverse plane, compared to the standard approach where the ranges were 44° to 54° and 24° to 30°, respectively. The extraction forces ranged from 5 kN to 18.4 kN with the optimized approach, which was 2.4 times higher than with the standard approach (ranging from 2.1 kN to 7.7 kN). Simulated tipping loads generated failure forces ranging from 0.8 kN to 10.1 kN with the optimized approach, which were higher than those of the standard approach (ranging from 0.9 kN to 2.9 kN). The bone mass surrounding the screw, representing the quality score and the extraction forces in the osteoporotic case, were correlated (R2 > 0.8). In conclusion, this research project developed and validated a method for integrating the mechanical properties of bone tissue extracted from multi-energy biplanar radiographs into finite element models. The personalized models were used to optimize the trajectory of S2-alar-iliac screws for patients with spinal deformities. The results demonstrated the feasibility and effectiveness of the optimized approach, which provided better screw-bone interaction and improved screw performance compared to the standard approach. This method has the potential to enhance surgical outcomes and reduce complications in elderly patients with spinal deformities. Further research and clinical validation are necessary to confirm the findings and establish the practical applicability of this approach in real-world scenarios.

Résumé

Les déformations de la colonne vertébrale chez l'adulte regroupent diverses pathologies de la colonne vertébrale qui surviennent généralement avec l'âge et affectent de 30% à 60% de la population. Une intervention chirurgicale est souvent nécessaire chez les patients âgés atteints de déformation sévère, et on a observé une augmentation significative de 141% des procédures de fusion vertébrale à longue portée aux États-Unis entre 2004 et 2014. Cependant, des complications telles que la dégénérescence du disque L5-S1 et le déséquilibre sagittal peuvent survenir avec une incidence de 61%, en particulier lorsque la fusion s'étend jusqu'à L5. Pour remédier à ces problèmes, des vis S2-alaire-iliaques ont été utilisées en remplacement des vis iliaques en raison de leur taux de révision plus faible avec un rapport de cotes de 7,84, ainsi que de leur moindre invasivité. Cependant, il existe un risque significatif de desserrage des vis et de cicatrisation insuffisante, notamment chez les patients âgés de 70 ans ou plus, avec des taux rapportés allant de 50% à 66%. Ce risque est accru par la mauvaise qualité osseuse couramment observée chez les personnes âgées, ce qui augmente la probabilité de desserrage des vis de fixation et de pseudarthrose dans la région lombo-sacrée. L'analyse par éléments finis a été utilisée dans des études récentes pour analyser et optimiser sur le plan biomécanique les implants spino-pelviens. Cependant, les recherches antérieures se sont souvent concentrées sur la combinaison de modèles par éléments finis avec des images médicales pour améliorer la représentation de la qualité osseuse, ou sur l'utilisation de méthodes d'optimisation en conjonction avec des modèles par éléments finis pour optimiser numériquement la résistance de fixation. Il manque un lien entre ces deux aspects pour une optimisation numérique réaliste dans la littérature. Ainsi, l'objectif de ce projet de recherche est de développer et de valider une méthode qui intègre les propriétés mécaniques du tissu osseux extraites à partir des radiographies bi-planaires multi-énergie, ainsi que d'utiliser ce modèle personnalisé pour optimiser la trajectoire des vis S2-alaire-iliaques. La calibration entre les radiographies bi-planaires multi-énergie et les tomodensitométries a été réalisée pour estimer la densité minérale osseuse volumétrique à partir de la densité minérale osseuse surfacique. Les radiographies bi-planaires multi-énergie ont été générées à partir des données de tomodensitométrie et ont été calibrées à l'aide d'une analyse de régression. Une région d'intérêt a été définie dans l'os entourant la vis pour évaluer la fixation pelvienne, et les éléments trabéculaires dans cette région ont été regroupés en fonction de leurs valeurs de densité. Les propriétés mécaniques ont été déterminées pour chaque groupe, et une loi élastoplastique de Johnson-Cook a été utilisée pour simuler le comportement de l'os. La densité de l'os cortical a été réduite de 35% en tenant compte de l'âge du patient, et les autres propriétés des matériaux ont été ajustées en conséquence. Une étude de validation a été réalisée pour évaluer une approche d'insertion de vis pelvienne. Un cas de test spécifique a été sélectionné, utilisant les tomodensitométries d'une femme de 81 ans pour générer des radiographies correspondantes. Une vis pelvienne a été insérée dans l'ilium droit, et sa force d'extraction et sa rigidité initiale ont été déterminées. Des études de convergence ont été effectuées pour déterminer le nombre optimal de zones pour la segmentation de l'os trabéculaire. La taille de la région d'intérêt autour de la vis a été évaluée par des simulations d'extraction avec des diamètres variables et des vitesses décroissantes. La validation a été réalisée en comparant les résultats avec des études expérimentales et en effectuant des tests statistiques, en tenant compte des incertitudes liées à la calibration et aux propriétés des matériaux. Une analyse de sensibilité a été réalisée pour comparer les modèles non homogènes spécifiques au patient avec des modèles homogènes et différentes configurations ont été testées. Enfin, l'algorithme génétique a été utilisé pour optimiser les dimensions et les trajectoires des vis S2-alaire-iliaques pour une femme de 81 ans atteinte d'ostéoporose et une femme de 35 ans en bonne santé, en se basant sur leurs modèles par éléments finis personnalisés obtenus selon les étapes décrites précédemment. Les variables à optimiser comprenaient le point d'insertion de la vis, les angles de trajectoire et la taille de la vis. Des contraintes ont été appliquées pour éliminer les solutions impossibles. Un score a été attribué à chaque solution en fonction de la masse osseuse estimée autour de la vis (approche optimisée) ou du diamètre maximal du couloir de la vis (approche standard). Les opérations de sélection, de croisement et de mutation ont été utilisées pour améliorer progressivement les résultats. Des simulations ont été effectuées pour évaluer l'extraction des vis et les conditions de charge de basculement, en utilisant les courbes force-déplacement pour calculer la rigidité initiale et la force de défaillance. Les résultats ont été comparés à l'aide de tests de Student appariés. Les résultats ont révélé une erreur quadratique moyenne de 74,7 mg/cm3 entre les valeurs HU réelles obtenues à partir des tomodensitométries et les valeurs prédites. À mesure que le diamètre de la zone d'intérêt augmente, les valeurs de rigidité initiale et de force d'extraction convergent. La plage de validité des simulations par rapport aux groupes expérimentaux est résumée, avec des valeurs de p allant de 0,38 à 0,42 pour la comparaison avec le groupe expérimental 1 et de 0,11 à 0,83 pour la comparaison avec le groupe expérimental 2. Dans l'étude de sensibilité, différents modèles et trajectoires ont donné des valeurs variables de force d'extraction et de rigidité initiale, telles que 794 N et 10964 N/mm pour un modèle homogène sur l'ensemble de l'ilium, 561 N et 7556 N/mm pour un modèle homogène composé de deux régions, et 939 N et 15271 N/mm pour la trajectoire différente. La trajectoire optimale des vis S2-alaire-iliaques était plus latérale et caudale avec l'approche optimisée, avec des angles d'insertion variant de 49° à 66° dans le plan sagittal et de 29° à 35° dans le plan transversal, par rapport à l'approche standard où les plages étaient de 44° à 54° et de 24° à 30° respectivement. Les forces d'extraction varient de 5 kN à 18,4 kN avec l'approche optimisée et étaient 2,4 fois plus élevées qu'avec l'approche standard (de 2,1 kN à 7,7 kN). Les forces de basculement simulées ont généré des forces de défaillance allant de 0,8 kN à 10,1 kN avec l'approche optimisée, supérieures à celles de l'approche standard (entre 0,9 kN et 2,9 kN). La masse osseuse entourant la vis, représentant le score de qualité et les forces d'extraction du cas ostéoporotique, était corrélée (R2 > 0,8). Cette étude confirme la faisabilité de construire un modèle par éléments finis complet et spécifique au patient pour l'évaluation de la fixation par vis du bassin en utilisant une approche originale qui intègre les propriétés du matériau osseux dérivées de la radiographie bi-planaire multi-énergie. La méthode d'optimisation de la taille et de la trajectoire de la vis S2AI en utilisant ce type de modèles avec un algorithme génétique permet de prendre en compte les contraintes chirurgicales et améliore de manière cohérente les performances de fixation. Ces développements constituent une étape importante vers un outil de planification préopératoire pour la déformation du rachis afin d'évaluer de manière exhaustive les performances biomécaniques de la fixation.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin and Isabelle Villemure
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/57044/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 10 May 2024 12:00
Last Modified: 11 May 2024 12:36
Cite in APA 7: Qiao, N. (2023). Modélisation biomécanique de la trajectoire des vis sacro-iliaques : application pour optimiser l'ancrage tenant compte de la qualité osseuse spécifique au patient [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/57044/

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