Thèse de doctorat - ?· L’INSTRUMENTATION DU ... (Chaire de recherche industrielle avec Medtronic…

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    13-Sep-2018

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  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    BIOMCANIQUE DE LANCRAGE DE VIS PDICULAIRES POUR

    LINSTRUMENTATION DU RACHIS

    ROHAN BIANCO

    DPARTEMENT DE GNIE MCANIQUE

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    THSE PRSENTE EN VUE DE LOBTENTION

    DU DIPLME DE PHILOSOPHIAE DOCTOR

    (GNIE MCANIQUE)

    DCEMBRE 2015

    Rohan Bianco, 2015.

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    Cette thse intitule :

    BIOMCANIQUE DE LANCRAGE DE VIS PDICULAIRES POUR

    LINSTRUMENTATION DU RACHIS

    prsente par : BIANCO Rohan

    en vue de lobtention du diplme de : Philosophi Doctor

    a t dment accepte par le jury dexamen constitu de :

    Mme VILLEMURE Isabelle, Ph. D., prsidente

    M. AUBIN Carl-ric, Ph. D., membre et directeur de recherche

    M. ARNOUX Pierre-Jean, D. Sc., membre et codirecteur de recherche

    M. MAC-THIONG Jean-Marc, M. D., Ph. D., membre et codirecteur de recherche

    M. PARENT Stefan, M. D., Ph. D., membre

    M. TILLIER Yannick, Ph. D., membre

    M. AVRIL Stphane, Ph. D., membre externe

  • iii

    DDICACE

    mes parents, pour la chance que vous mavez donne,

    ma famille, pour tout le reste, merci.

  • iv

    REMERCIEMENTS

    Ce projet de doctorat a t effectu en cotutelle entre lcole Polytechnique de Montral et le

    Laboratoire de Biomcanique Applique de Marseille (UMRT21 Institut Franais des Sciences et

    Technologies des Transports, de l'Amnagement et des Rseaux/ Aix Marseille Universit). Le

    projet sest inscrit dans le cadre dune collaboration lie au Laboratoire international Imagerie

    et biomcanique du rachis iLab-Spine, ainsi que dans le cadre de la Chaire CRSNG/Medtronic en

    biomcanique de la colonne vertbrale. Je remercie tout dabord mes directeurs de recherche, Dr.

    Carl-ric Aubin, Dr. Pierre-Jean Arnoux et Dr. Jean-Marc Mac-Thiong pour leur encadrement,

    leur sens critique et surtout la confiance quils mont accorde. Je voudrais galement remercier

    les membres de mon comit conseil (John Coleman et Yvan Petit) et mentor (Eric Wagnac) du

    programme de formation MEDITIS pour leurs conseils prcieux. Je remercie les membres du

    jury et rapporteurs pour leur disponibilit et lintrt port a ce projet de recherche. Je remercie

    Brian Murrell, John Coleman et Jeremy Rawlinson pour leur accueil chaleureux durant le stage

    MEDITIS chez Medtronic.

    Je souhaite galement remercier mes collgues actuels et anciens du iLab-Spine, Lo, Maxime,

    Manon, Marion, Manuel, Aurlie, Juan, Claire et Christiane pour les nombreuses discussions et

    conseils que vous mavez apports. Un grand merci a mes collgues de Polytechnique, Bahe et

    Franck, mes compagnons de galre, Olivier mon second mentor, Frdrique DB, Nikita,

    Frdrique DP, Julien G, Julien C, Laure, Viviane, Rany, Sarah Un autre grand merci mes

    collgues et autres membres du LBA, Lucie, Audrey, Damien, Florent, Dorian, Guillermo,

    Christian, Sanae, Wei Jai certainement oubli des prnoms, mais ces annes entre les deux

    laboratoires ont t vritablement un plaisir. Finalement, je remercie tout particulirement mes

    proches et toutes les personnes que jai pu rencontrer durant cette aventure sur plusieurs

    continents.

    Ce travail de recherche a t financ par le Conseil de recherches en sciences naturelles et gnie

    du Canada (Chaire de recherche industrielle avec Medtronic du Canada), le programme de

    formation MEDITIS (CRSNG) et la fondation A*MIDEX (Aix-Marseille Universit Initiative

    dExcellence, n ANR 11-IDEX-0001-02).

  • v

    RSUM

    La scoliose est une pathologie qui cause une dformation tridimensionnelle de la colonne

    vertbrale et de la cage thoracique. Elle peut tre dorigine congnitale, neuromusculaire ou dite

    idiopathique (de cause inconnue). Cette maladie apparait gnralement durant ladolescence et

    les cas dits volutifs touchent 90% les filles. La scoliose idiopathique adolescente a une

    prvalence de 3% 5% et environ 10% des patients ncessiteront un traitement. Pour des

    dformations svres, le principal traitement utilis est la correction par instrumentation, en

    gnral par abord postrieur. Des vis sont alors insres dans les vertbres, travers les

    pdicules. Elles servent de lien pour appliquer des manuvres chirurgicales de correction afin

    daligner la colonne dans le plan coronal et transverse, et restaurer les courbes dans le plan

    sagittal. Des tiges dinstrumentation sont fixes aux vis pour maintenir la correction du rachis.

    Lobjectif des implants est, court terme, de permettre lapplication des manuvres de correction

    et de maintenir la correction des dformations scoliotiques et, long-terme, de rigidifier et

    stabiliser le rachis par une fusion osseuse. Les vis pdiculaires subissent des efforts importants et

    variables en intensit et direction tout au long de leur utilisation, ce qui peut entrainer des micro-

    fractures ou un dchaussement partiel ou total pendant les manuvres et en priode

    postopratoire, menant des risques de dfaillance. Un bon ancrage biomcanique des vis

    pdiculaires dans les vertbres est donc ncessaire pour assurer une correction scuritaire et

    durable.

    Lancrage biomcanique des vis pdiculaires dpend de paramtres intrinsques de la vertbre

    (forme et taille des vertbres, densit et distribution osseuse), donc du patient, mais aussi des

    techniques chirurgicales dinsertion des vis, comme le choix de la trajectoire dinsertion ou le

    quantit dos enlev au point dinsertion des vis. Toutefois, le design des vis (forme de filets,

    type de filetage) et le choix de la dimension des implants et de la technique dinsertion

    (prparation du point dentre, diamtre du taraudage ou trajectoire dinsertion) reposent encore

    principalement sur des principes empiriques et sur lexprience des chirurgiens. Un certain

    nombre dtudes exprimentales ont permis de dterminer les effets des paramtres les plus

    importants, mais de par laspect destructif et la forte variabilit exprimentale des tests, peu

    dtudes ont pu examiner quantitativement un ensemble de paramtres pertinents. De plus, les

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    tests exprimentaux pour lvaluation de la performance dancrage des vis pdiculaires se font

    traditionnellement avec des tests standards darrachement via des forces appliques axialement a

    la vis, mais cela ne reprsente quun sous-ensemble des forces que les vis pdiculaires subissent

    lors des manuvres chirurgicales ou aprs lintervention durant des mouvements fonctionnels.

    Ltude du comportement des vis pdiculaires sous chargements non-axiaux nest pas

    standardise ce qui rend complexe la comparaison des diffrentes tudes antrieures. Plusieurs

    quipes ont tudi le comportement des vis pdiculaires en utilisant la mthode de modlisation

    par lments finis. Nanmoins, il n'existe pour l'instant pas de modle pouvant reprsenter avec

    dtail le comportement de vis pdiculaires, des structures osseuses et de l'interface de contact lors

    de sollicitations intraopratoires.

    Lobjectif gnral de ce projet doctoral est dtudier l'influence des choix chirurgicaux et des

    variations morphologiques des vertbres sur l'ancrage biomcanique des vis pdiculaires.

    Lhypothse que nous souhaitons vrifier est que les paramtres relatifs la condition

    physiopathologique du patient et les choix des chirurgiens influencent de faon

    significative (p

  • vii

    Limportance de paramtres spcifiques au patient et lis aux choix chirurgicaux sur la qualit de

    lancrage a t value numriquement en considrant des chargements axiaux et non-axiaux. Les

    paramtres ainsi tudis ont t : lpaisseur de los cortical (5e, 50e ou 95e percentile), le niveau

    vertbral (T3 ou T8), la qualit osseuse (normale ou ostoporotique), le diamtre des vis

    pdiculaires (5.5 ou 6.5 mm), lengagement osseux des vis (unicortical ou bicortical) et enfin la

    taille de llargissement du point dentre (EPE) (os cortical intact, EPE minimal et EPE large).

    Le diamtre des vis avait un effet prdominant (pour une vis 6.5 mm compar 5.5 mm,

    augmentation de 30-35% en raideur initiale et force a larrachement dans toutes les directions)

    dans toutes les directions de chargement. Globalement, los cortical tait galement un paramtre

    cl dans lancrage biomcanique des vis pdiculaires. Cette tude a permis de montrer quune

    baisse globale de densit osseuse de 20% (correspondant a un passage dune densit normale a

    une densit ostoporotique) conduit une baisse de 30% en raideur initiale et baisse de 20% en

    force a larrachement dans toutes les directions de chargements. Nanmoins, la densit osseuse ne

    semblait pas tre un facteur prdominent dans lancrage des vis pdiculaires puisque le diamtre

    des vis avait des effets suprieurs (+35% sur la force la rupture).

    Lanalyse de linsertion dune vis dans un trou pr-taraud dun diamtre infrieur a celui de la

    vis a finalement t ralise numriquement. Deux aspects des phnomnes se produisant lors de

    linsertion des vis pdiculaire ont t simuls. Une premire simulation dinsertion a t effectue

    en insrant les 4 premiers filets de la vis dans un prtaraudage de diamtre de 1 mm infrieur

    celui de la vis et en appliquant ensuite un moment autour de laxe de la vis. Lautre type de

    simulation a t effectu par une expansion radiale dun mm dune vis virtuelle pour atteindre

    lquilibre a sa dimension et position finale relles. Lanalyse des contraintes et des forces de

    contact a montr que les zones dos trabculaire entre les filets des vis ou des parois de los

    cortical atteignent des niveaux proches de la limite en dformations et des fractures initiales

    apparaissent. Des effets irrversibles de fracture osseuse et de prcontraintes ont t observs,

    pouvant conduire des risques de dfaillances lors de chargements subsquents sur la vis. Les

    zones les plus dformes se trouvent aux alentours de la pointe de vis et dans le canal pdiculaire.

    Le modle a galement permis de montrer que les champs de contraintes gnres par des vis de

    plus grands diamtres produisent plus de zones de concentration de contraintes et dinitiation de

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    fractures. De plus, le design des vis profil cylindrique et simple filetage produisaient un

    champ de contraintes plus uniforme et moins de zones dinitiation de fractures.

    Un second volet du travail a permis de caractriser exprimentalement le comportement des vis

    pdiculaires thoracique lors de chargements non axiaux. Les expriences ont t effectues sur 12

    vertbres cadavriques o deux types de filetage (filets simples ou doubles), deux points

    d'insertion (mdial ou latral), deux trajectoires d'insertion (horizontale ou oblique) et deux types

    de chargements (latral ou crnial) ont t tests pour un total de 24 expriences. Les vis ont t

    soumises 4 chargements sinusodaux cycliques de 0 400N. Les rsultats ont montr que le

    premier cycle de chargement entranait une forte dformation osseuse (dplacement moyen de la

    tte de vis de 0.79 mm), qui ensuite saccumulait progressivement au cours des cycles suivant

    pour atteindre 1.75 mm de dplacement de la tte de vis en moyenne. Ce phnomne de

    tassement osseux et de cumul des dformations permanentes est susceptible davoir un impact sur

    la tenue des vis, car il peut conduire la dformation limite et rupture de l'os. Les chargements

    latraux induisaient une dformation osseuse plus importante et plus de risques de dchaussement

    de vis que les chargements crniaux. Les vis filets doubles ont montr une raideur initiale

    suprieure celle des vis filets simples.

    Les rsultats gnrs dans cette thse ont permis de confirmer que des paramtres relatifs la

    condition physiopathologique du patient (densit osseuse et paisseur de los cortical) et aux

    choix des chirurgiens (diamtre et longueur des vis, design de vis, trajectoire dinsertion et

    quantit dos cortical rong a linsertion) influencent de faon significative (p

  • ix

    pdiculaire/vertbre. De plus, ce projet a galement permis de proposer un protocole et une

    mthode danalyse pour ltude de vis pdiculaires sous chargements non-axiaux. Les

    connaissances dveloppes au cours de ce projet doctoral ont permis de fournir des

    recommandations pratiques pour les cliniciens ainsi que les dveloppeurs dimplants

    biomdicaux, autant sur les futurs choix de design des vis pdiculaires que les choix de vis et leur

    placement afin dobtenir un meilleur ancrage. long terme, le modle pourrait tre adapt pour

    analyser plus en dtail les caractristiques spcifiques du patient et tre utilis comme une

    formation virtuelle ou d'un outil de planification propratoire.

  • x

    ABSTRACT

    Scoliosis is a pathology that causes a three-dimensional deformation of the spine and rib cage.

    This disease usually appears during adolescence and large progression cases affect females

    90% of the time. Adolescent idiopathic scoliosis has a prevalence of 3% to 5%, and around 10%

    of patients require a treatment. For severe spinal deformities, the main treatment is to surgically

    correct the spine by instrumentation. Screws are inserted into the vertebrae through the pedicles

    and are used to apply surgical maneuvers in order to align the column, after which

    instrumentation rods are attached to stabilize the spine. The short-term goals are to reduce the

    spinal curvature; the long-term goals are to stiffen the spine and promote arthrodesis. The pedicle

    screws undergo significant and variable forces during correction maneuvers and also after

    surgery while the patient undergoes functional movements, which can cause partial or total

    loosening of the screw construct. A strong connection between the screws and vertebrae is

    needed to ensure a safe correction.

    The biomechanical anchorage of pedicle screws depends on the intrinsic parameters of the

    vertebrae (shape and size of the vertebrae, bone density and bone distribution), but also on the

    surgical insertion techniques of screws such as the trajectory or amount of bone removed at the

    insertion point. However, the design (thread design and type), the choice of the size of the

    implants, and insertion technique (preparation of the entry point, the diameter or tapping

    diameter) still depend on empirical principles and on the surgeons experience. Many studies

    have determined the effects of the main parameters affecting the pedicle screw anchorage, but

    due to the destructive aspects and the high experimental variability, only a few were able to

    compare relevant parameters. Moreover, most experimental tests are done with axial pullout

    forces, which do not fully represent the possible forces that are applied on the screws during

    surgical maneuvers or postoperatively. Non-axial loading tests are yet not standardized, which

    makes comparison between studies more complex. Many studies have investigated pedicle screw

    behaviour using finite element modelling. However, there is currently no model refined enough

    that can represent in detail the behaviour of pedicle screws, bone structures, and the contact

    interface during intraoperative loadings.

  • xi

    The overall objective of this doctoral project is to study the influence of surgical choices and

    morphological variations of vertebrae on the anchorage of pedicle screws. The investigated

    hypothesis is that the parameters relative to the patient and to a surgeons choices significantly

    affect (p

  • x...