Biomechanical Modeling and Characterization of the Postural Parameters in Adolescent Idiopathic Scoliosis

Scoliosis is a 3D spinal deformity which impacts the morphology and alignment of the spine, the pelvis, and the ribcage. Although several spinal parameters are introduced to identify and evaluate scoliotic curves, there is not much known about the biomechanical relationship between the spine and the pelvis and its impact on the overall posture and equilibrium of the scoliotic patients. The focus of this Ph.D. project was to investigate the spino-pelvic biomechanical interaction in adolescent idiopathic scoliosis (AIS) more closely. Spine and pelvic kinematic, relative spino-pelvic orientation in static, and lumbosacral biomechanical loading were investigated in subjects with different curve patterns. We hypothesized that spino-pelvic interaction is not only different between AIS and controls, but also varies between subjects with different scoliotic types in static, kinematic, and biomechanical loading. Furthermore the hypothetical effect of the spinal operation on equilibrating the spino-pelvic biomechanical interaction was tested postoperatively. Hence, after reviewing the pertinent literatures, 3 chapters were devoted to investigate the general hypothesis of this project. Each chapter tries to investigate one aspect of the spine and pelvis interaction in scoliotic subgroups and compares the results with an age-gender match group of controls. Although the pelvic alignment in the AIS group was different from the age-gender matched control group, it is not closely verified to what extent the pelvic orientation and the spino-pelvic alignment affect the pelvis kinematic in subjects with different curve types and subsequently its impact on the spino-pelvic movement is not determined. An experimental setup was designed to investigate the pelvic 3D motion during simple trunk movement in vivo.

Résumé

La scoliose est une déformation 3D de la colonne vertébrale qui influence la morphologie et l'alignement de la colonne vertébrale, du bassin et de la cage thoracique. Bien que plusieurs paramètres soient introduits pour identifier et évaluer les courbes chez les sujets scoliotiques, la relation biomécanique entre la colonne vertébrale et le bassin ainsi que ses impacts sur la posture et l'équilibre général des sujets scoliotiques n'est pas encore élucidée. Le but de ce projet doctoral était d'examiner l'interaction spino-pelvienne en mesurant les paramètres biomécaniques chez les sujets atteints de scolioses idiopathiques adolescentes (SIA). La cinématique pelvienne, l'orientation spino-pelvienne relative et le chargement biomécanique lombo-sacré ont été examinés chez des sujets avec des courbures différentes. L'hypothèse que nous souhaitons vérifier est que l'interaction spino-pelvienne (au niveau des paramètres statiques, cinématiques et des chargements biomécaniques à l'interface entre le rachis et le bassin) est non seulement différente entre les SIA et les contrôles, mais varie aussi entre les sujets présentant différents types de scolioses. De plus, l'effet d'une instrumentation chirurgicale du rachis sur l'équilibre ainsi que sur l'interaction biomécanique spino-pelvienne a été étudié post opérativement. Donc, après avoir examiné la littérature pertinente, trois chapitres ont été consacrés pour examiner l'hypothèse générale de ce projet. Chaque chapitre aborde un aspect de l'interaction spino-pelvienne chez les sous-groupes scoliotiques et compare les résultats avec un groupe de contrôles de la même catégorie d'âge-sexe. Bien que l'orientation pelvienne entre les sujets SIA et le groupe contrôle était différente, il n'est pas vérifié dans quelle mesure l'orientation pelvienne et l'alignement spino-pelvien affectent la cinématique du bassin chez les sujets présentant différents types de courbures. Par la suite, l'interférence entre l'orientation du bassin et le mouvement spino-pelvien a été étudiée.