Modélisation de l'arthrodèse thoraco-lombaire avec fixation pelvienne dans les déformations du rachis

Modeling of thoracolumbar arthrodesis with pelvic fixation for spinal deformities

• Auteur / Autrice : Aleksander Leszczynski
• Direction : Rémy Willinger, Yann-Philippe Charles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 14/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Blondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Willinger, Yann-Philippe Charles, Benjamin Blondel, Steffen Peldschus, Pascal Rokegem, Frank Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Blondel, Steffen Peldschus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation spécifique au patient

Arthrodèse vertébrale

Déviations du rachis

Éléments finis, Méthode des

Simulation, Méthodes de

Colonne vertébrale -- Propriétés mécaniques

Chirurgie

Scoliose

Mots clés libres

MEF

Scoliose dégénérative

Correction chirurgical

Colonne vertébrale

Fixation rachidienne

Rupture des tiges

FEM

Degenerative scoliosis

Surgery

Spine

Spinal fixation

Rod fracture

Résumé

La scoliose dégénérative et le déséquilibre antérieur sont des problèmes courants chez les personnes âgées. Afin d'améliorer la qualité de vie, il est conseillé à certains patients de subir une correction chirurgicale. La correction chirurgicale de l'équilibre sagittal entraîne diverses complications, parmi lesquelles les ruptures de tiges qui jouent un rôle central, surtout à long terme. Des études de suivi de patients ont montré qu’une rupture du matériel d’ostéosynthèse est observée chez environ 20% d’entre eux. Le cœur de ce travail de thèse a consisté à développer un modèle éléments finis (MEF) complet du rachis sain. La géométrie utilisée pour la création du MEF a été définie à partir de coupes scanner d’un sujet sain de 47 ans. Des propriétés mécaniques issues d’une large revue bibliographique ont été implémentées aux différentes structures. Afin de vérifier la réponse du MEF ainsi développé, deux types de validation ont été réalisées, en termes d’amplitude de mouvement (ROM), ainsi qu’en termes de fréquences propres et déformées modales correspondantes. Pour l’étude du matériel d’ostéosynthèse, quatre configurations d’instrumentations du MEF ont alors été proposées. Nous avons présenté, pour la première fois, la validation d’un MEF d’une colonne flexible instrumentée en termes de ROM, ainsi que en termes des déformations des tiges principales. En outre, d'autres paramètres mécaniques tels que le champ de pression au niveau des disques/cages, de forces dans les têtes des vis et de la distribution des contraintes de type Von Mises dans les tiges principales ont été évalués. Les études des MEF lombaire instrumentés dans les quatre modes de sollicitations (flexion d'extension, inflexion latérale et torsion), a permis de démontrer que le maximum de contrainte de Von Mises (situé dans les tiges principales) est corrélé avec la zone où se produisent la majorité des fractures. La configuration bilatérale à double tiges avec cages intersomatiques permet néanmoins de réduire au mieux les contraintes de Von Mises calculées/exercées sur les fixateurs rachidiens ce qui présente un risque minimal de rupture de tiges. Une étude complémentaire à également été menée consistant à étudier le MEF d’une colonne vertébrale instrumentée de T10 jusqu’au bassin. Nous avons constaté, que lors d’une instrumentation de la partie thoraco-lombaire, les résultats obtenus numériquement étaient plus critique que lors d’une instrumentation de la partie lombaire seule, notamment en termes de contraintes maximales calculées dans les tiges. Le MEF du rachis développé dans le cadre de ce travail de thèse est véritable outil pouvant être désormais utilisé, afin d’évaluer d’autres techniques d’instrumentation chirurgicale par la méthode des éléments finis.

Degenerative scoliosis and sagittal imbalance are common problems in the older population. In order to improve the quality of life, some patients are recommended to undergo surgical correction. Surgical correction of the sagittal balance can lead to various complications, including rod fractures, which play a central role in the long term. Patient follow-up studies have shown that a rupture of the osteosynthesis material is observed in about 20% of patients. The main focus of the curent work was the development of a complete finite element model (FEM) of the healthy spine. The geometry of the FEM was based on a CT-scan of a healthy 47-year-old volunteer. Mechanical properties were taken from a wide literature review and implemented. In order to ensure the biofidelity, the spinal FEM was widely validated in terms of range of motion (ROM) and modal analysis against multiple experimental studies from the literature. For the study of osteosynthesis material, four instrumented FEMs of the lumbar spine with different configurations were proposed. For the first time, a validation was performed on instrumented flexible spine FEMs against ROM as well as strains in the main rods. In addition, other mechanical parameters such as intradiscale pressure, forces in the screw heads and the distribution of Von Mises stresses in the main rods were calculated to evaluate the studied instrumented configurations. Outcome of the present study of the four instrumented lumbar FEMs in four loading modes (extension flexion, lateral inflection and torsion) indicated that the maximum Von Mises stress (located in the main rods) is correlated with the area of rod fractures reported in patient follow up studies. However, the bi-lateral double rod configuration with interbody cages produced the higher Von Mises stress reduction on spinal fixators which represents a minimal risk of rod failure. A complementary study was also carried out to investigate the FEM of an instrumented spine from T10 to the pelvis. The results showed that an extension of the instrumentation thoracic part, the numerically obtained values were more critical than during an instrumentation of the lumbar part alone, especially in terms of maximum stresses calculated in the principal rods. The developed spinal FEM can be an effective and efficient tool to evaluate other surgical instrumentation techniques using the finite element method.