Modélisation biomécanique de la chirurgie par modulation de croissance de la colonne vertébrale scoliotique : analyse pour prévenir les déformations périphériques subséquentes

Deux à 3% des enfants présentent une scoliose, déformation 3D de la colonne vertébrale, dont 80% sont idiopathiques, c'est-à-dire sans origine connue. Pour les scolioses sévères (angle de Cobb >45°) ou à fort potentiel de croissance, un traitement chirurgical est requis afin de stopper la progression de la courbure. L'intervention chirurgicale actuellement la plus utilisée fait intervenir une fusion vertébrale, la rendant très impactante pour la qualité de vie de l'enfant à cause notamment de la perte de mobilité que cela entraine. Pour l'éviter, le dispositif Anterior Vertebral Body Tethering (AVBT), une chirurgie dite « sans-fusion » par modulation de croissance, a été développée en utilisant une approche basée sur le principe de Hueter-Volkman. Celui-ci stipule qu'un chargement en compression sur les plaques de croissances inhibe la croissance alors qu'une force distractive la stimule. L'AVBT vient ainsi comprimer le côté convexe de la courbure par un câble fixé sur le côté des corps vertébraux afin d'inhiber la croissance et favoriser l'expansion du côté concave. Par modulation de croissance, la colonne vient alors graduellement se redresser au cours du temps et de la croissance. L'AVBT est donc une méthode prometteuse puisque qu'elle préserve la mobilité de l'enfant et ne nécessite pas de chirurgie de suivi périodique pour redresser la colonne. Néanmoins, actuellement implantée de manière empirique par les chirurgiens et chirurgiennes orthopédistes, il manque encore des connaissances sur ses effets au long-terme notamment sur les risques de bris de câble, de surcorrection ou de déformations subséquentes (adding-on). Ces dernières peuvent, en effet, survenir sur les courbures non-instrumentées de la colonne suite à l'implantation de l'AVBT. Ainsi, la courbure distale sous-jacente à l'instrumentation pourrait subir une nouvelle déformation postopératoire à cause de l'implant, ou, au contraire, se stabiliser voire s'améliorer. Pour faciliter la prédiction d'une telle évolution, il s'avère nécessaire de comprendre et d'étudier l'effet de paramètres biomécaniques intervenant dans l'évolution du segment non-instrumenté distal afin de prédire l'effet du dispositif sur le rachis entier. L'objectif de ce mémoire était de développer une technique d'analyse biomécanique afin de prédire les déformations secondaires périphériques distales induites par l'implantation d'un dispositif sans fusion par modulation de croissance AVBT pour la scoliose pédiatrique. Ceci était pour tester l'hypothèse que l'évolution de la courbure lombaire suivant l'instrumentation AVBT peut être prédite par l'angle de cunéiformisation (wedging) discal et l'asymétrie des forces sous la dernière vertèbre distale instrumentée (LIV).

Abstract

Two to 3% of children have scoliosis, a 3D spinal deformity, of which 80% are idiopathic, i.e. without a known origin. For severe scoliosis (Cobb angle >45°) or with high growth potential, surgical treatment is required to stop the progression of the curvature. The most commonly used surgical procedure currently involves a spinal fusion, making it very impactful on the patient's quality of life due to the loss of mobility that it entails. To avoid this, the Anterior Vertebral Body Tethering (AVBT) a fusionless device by growth modulation, has been developed using an approach based on the Hueter-Volkman principle. This principle states that compressive loading on the growth plates inhibits growth while a distractive force stimulates it. The AVBT compresses the convex side of the curvature with a tether attached to the side of the vertebral bodies to inhibit growth and promote expansion on the concave side. Then, by growth modulation, the spine gradually straightens out over time and with growth. AVBT is therefore a promising method since it preserves the patient's mobility and does not require periodic follow-up surgery to straighten the spine. Nevertheless, currently implanted empirically by orthopedic surgeons, there is still a lack of knowledge about its long-term effects, particularly about the risks of cable breakage, overcorrection or subsequent deformities (adding-on). The latter may occur on non-instrumented spinal curvatures after AVBT implantation. Thus, the distal curvature underlying the instrumentation could undergo further postoperative deformation due to the implant, or, on the contrary, stabilize or even improve. To help predict such evolution, it is necessary to understand and study the effect of biomechanical parameters involved in distal non-instrumented segment evolution in order to predict the effect of the device on the entire spine. The objective of this thesis was to develop a biomechanical analysis technique to predict distal secondary peripheral deformities induced by implantation of a fusionless AVBT device for pediatric scoliosis. The hypothesis to be tested was that the evolution of lumbar curvature following AVBT instrumentation can be predicted by the wedging angle of the disc and the asymmetry of forces under the lower instrumented vertebrae (LIV). For this purpose, a biomechanical finite element model based on the 3D reconstruction of patients treated with AVBT was used. This model includes the spine and its pre-, intra- and postoperative positioning as well as the implantation of the AVBT device on the vertebrae and its tensioning.