Biomechanical Impact of Intraoperative Correction and Bone Maturity on Long-Term Outcomes in Pediatric Lumbar VBT

La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Lorsque son étiologie est inconnue et qu’elle survient entre 10 et 18 ans, elle est qualifiée de scoliose idiopathique de l’adolescent (AIS), la forme la plus fréquente de scoliose pédiatrique, avec une prévalence de 1 à 4 %. Pour les courbures sévères (angle de Cobb > 40°), évolutives, ou pour lesquelles le traitement par corset s’avère inefficace, une intervention chirurgicale est nécessaire pour arrêter la progression de la scoliose. La procédure standard repose sur l’arthrodèse, une chirurgie qui entraîne une fusion des vertèbres du segment instrumenté, rigidifiant le rachis. Cette chirurgie est inadaptée pour les patients en début de croissance car elle limiterait alors cette croissance. En alternative, des approches plus récentes de techniques chirurgicales sans fusion, notamment la modulation de croissance par Vertebral Body Tethering (VBT), peuvent être utilisées pour les patients pédiatriques avec une déformation progressive. La chirurgie VBT exploite le principe de Hueter-Volkmann, selon lequel une charge accrue sur une plaque de croissance inhibe localement la croissance osseuse, tandis qu’une diminution de pression la stimule. Le principe de cette chirurgie est d’insérer un câble flexible sur le côté convexe de la courbure pour induire une compression asymétrique par rapport au côté concave: la croissance est ralentie du côté convexe et favorisée du côté concave. Après une correction initiale de la courbure obtenue lors de la chirurgie, la croissance résiduelle du patient contribue à la correction progressive de la déformation. La chirurgie VBT présente encore plusieurs défis, avec des taux relativement élevés de résultats insatisfaisants liés aux bris du câble, à une sous- ou sur-correction, ainsi qu’à l’apparition de déformations secondaires telles des problèmes jonctionnels aux extrémités de l'instrumentation (adding-on). Le taux de réintervention chirurgicale varie ainsi de 20 à 30 %. Au niveau lombaire, le dispositif de VBT est particulièrement sollicité en raison des forces mécaniques, du potentiel de croissance et de la flexibilité du rachis, accrues au niveau lombaire, limitant la correction satisfaisante des courbures (< 35°) à seulement 57 % des cas. Les recherches récentes ont amélioré la compréhension des trajectoires de modulation de la croissance, mais se concentrent principalement sur le rachis thoracique, négligeant les spécificités lombaires. De plus, la planification chirurgicale demeure difficile en raison des incertitudes sur la modulation de la croissance, la dynamique de maturation squelettique et l’interaction entre le VBT et d’autres forces biomécaniques (musculaires, fonctionnelles, gravitationnelles). En l’absence de modèles prédictifs précis, la planification chirurgicale repose encore sur des estimations empirico-heuristiques.

Abstract

Scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine and rib cage. When its etiology is unknown and it occurs between the ages of 10 and 18, it is referred to as adolescent idiopathic scoliosis (AIS), the most common form of pediatric scoliosis, with a prevalence of 1 to 4%. For severe curves (Cobb angle > 40°), progressive curves, or curves for which treatment with a brace is ineffective, surgery is necessary to stop the progression. The standard procedure is based on arthrodesis, a surgery that causes the vertebrae of the instrumented segment to fuse, thus limiting the patient's growth and mobility. Alternatively, recent approaches to fusionless surgical techniques, including growth modulation by Vertebral Body Tethering (VBT), can be used for pediatric patients with progressive scoliosis. VBT surgery uses the Hueter-Volkmann principle, according to which an increased load on a growth plate locally inhibits bone growth, while a decrease in pressure stimulates it. The principle of this surgery is to insert a tether on the convex side of the curvature to induce asymmetric compression in relation to the concave side: growth is thus slowed on the convex side and promoted on the concave side. After an initial correction of the curvature obtained during surgery, the patient's residual growth contributes to the progressive correction of the deformity. VBT surgery still presents several challenges, with relatively high rates of unsatisfactory results linked to tether breakage, under- or over-correction, and the appearance of secondary deformities such as junctional problems at the ends of the instrumentation (adding-on). The re-intervention rate varies from 20 to 30%. At the lumbar level, the VBT device is particularly stressed due to the mechanical forces, growth potential and flexibility of the spine, which are greater at the lumbar level, limiting satisfactory correction of curvatures (< 35°) to only 57% of cases. Recent research has improved our understanding of growth modulation trajectories, but focuses mainly on the thoracic spine, neglecting the specific features of the lumbar spine. Furthermore, surgical planning remains difficult due to uncertainties about growth modulation, skeletal maturation dynamics and the interaction between the VBT and other biomechanical forces (muscular, functional, gravitational). In the absence of precise predictive models, surgical planning still relies on empiric and heuristic estimates. The aim of this thesis was to adapt a modelling tool and use it to analyse the influence of the degree of intraoperative correction on the evolution of scoliosis correction after lumbar VBT surgery.