Approche intégrée de conception biomécanique de corsets pour le traitement de la scoliose idiopathique de l'adolescent

La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) génère des déformations complexes tridimensionnelles (3D) de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin. De 3 à 4 % de la population est atteint par cette maladie, principalement des filles adolescentes durant leur poussée de croissance. Cette pathologie peut mettre en danger la santé de l'individu, advenant une progression de la déformation du rachis. Dans ces cas, une chirurgie, permettant de redresser la colonne vertébrale grâce à des tiges et vis métalliques, est nécessaire. Cette chirurgie est très invasive et comporte certains risques (notamment vasculaire et nerveux). Des traitements moins invasifs sont disponibles pour prévenir la progression des courbures. Pour des courbures moyennes, un traitement par port de corset (orthèse pour le tronc) est généralement utilisé. Le corset de Boston est le traitement standard utilisé en Amérique du Nord. Sa conception est effectuée de façon empirique à l'aide de l'évaluation de radiographies. Il existe d'autres types de corsets disponibles sur le marché. Seulement, leur efficacité est variable et imprévisible. Cette grande variété de concepts de corset est dû au fait que l'action biomécanique de la correction des corsets est méconnue. Une plateforme, assistée par ordinateur, de conception de corset a été créée à la suite de travaux précurseurs sur le développement d'un modèle par éléments finis (MEF) du tronc humain. Cette plateforme permet d'effectuer la conception d'un corset à l'aide d'un outil de conception assistée par ordinateur (CAO) ainsi que de simuler son installation sur le MEF du tronc. La simulation permet de prédire l'efficacité immédiate du corset avant sa fabrication. Celui-ci peut dès lors être itérativement amélioré à l'aide de cet outil, jusqu'à ce que l'efficacité du corset soit jugée suffisante. Le corset peut alors être fabriqué avec un système de fabrication assistée par ordinateur (FAO) lié à une fraiseuse numérique 3D. Cette plateforme permet la rationalisation de la conception de corset. Cet outil a besoin de validation clinique afin d'être utilisé pour créer des corsets efficaces de façon constante. L'objectif de cette étude était de vérifier la faisabilité d'utiliser la nouvelle plateforme de conception pour fabriquer des corsets pour les patients SIA. L'efficacité des nouveaux corsets a été comparée ensuite aux prédictions de la simulation ainsi qu'à un système de corsets standards. Deux corsets ont été fabriqués pour six patients SIA. Le premier corset a été créé à l'aide de la nouvelle plateforme de conception (Nouveau Corset). Ce dernier est basé sur une reconstruction

Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) generates complex tridimensional deformities of the spine, rib cage and pelvis. It affects around 3-4% of the population, mainly female adolescents during their growth spurt. This pathology can be health threatening. If severe spinal curvature progression occurs, a surgery is necessary to straighten the spine using metal rods and screws. This surgery is very invasive and involves certain risks (mainly vascular and nervous). Conservative treatments are available to prevent curve progression. For moderate curves, braces (torso orthosis) are generally used as treatment. The standard brace used in North America is the Boston brace system. Its design is currently done mostly empirically based on assessments of radiographs. Other brace designs are available on the market; however their efficacy is variable and unpredictable. This wide brace design variety is due to the fact that brace biomechanical actions are not fully understood. Based on previous work on the development of a personalized finite element model (FEM) of a human torso, a computer assisted brace design platform was created. This platform allows brace design through Computer Assisted Design (CAD) and brace installation simulation on the FEM of the trunk. The simulation allows predicting initial brace efficacy, prior to the brace fabrication. The brace design can be iteratively improved using this tool until brace efficacy is considered sufficient and the brace can be fabricated using Computer Assisted Manufacturing (CAM) linked to a 3D carver. This platform permits the rationalization of brace design. This tool needs to be clinically validated to be used to create consistently efficient braces for clinical use. The objective of this study is to assess the feasibility of using the new design platform to build braces for AIS patients. The effectiveness of the braces issued from this process need to be compared to the predicted outcome of the simulations and to a standard bracing system. To do so, two braces were fabricated for six AIS patients. The first brace was created using the new design platform (NewBrace). The latter is based on a 3D reconstruction of the spine, pelvis and rib cage of each patient, computed from bi-planar (postero-anterior and lateral) calibrated radiographs. The external torso surface geometry is acquired using a surface topography technology (Moiré fringe digitization system). The internal and external geometries are registered together using radiopaque markers and the registered geometries are converted to a biomechanical FEM. This model is used to virtually correct the spinal deformities in the