Multimodal image fusion of anatomical structures for diagnosis, therapy planning and assistance

This paper provides an overview of work done in recent years by our research group to fuse multimodal images of the trunk of patients with Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) treated at Sainte-Justine University Hospital Center (CHU). We first describe our surface acquisition system and introduce a set of clinical measurements (indices) based on the trunk's external shape, to quantify its degree of asymmetry. We then describe our 3D reconstruction system of the spine and rib cage from biplanar radiographs and present our methodology for multimodal fusion of MRI, X-ray and external surface images of the trunk We finally present a physical model of the human trunk including bone and soft tissue for the simulation of the surgical outcome on the external trunk shape in AIS.CIHR / IRS

Personalized 3D reconstruction of the rib cage for clinical assessment of trunk deformities

Scoliosis is a 3D deformity of the spine and rib cage. Extensive validation of 3D reconstruction methods of the spine from biplanar radiography has already been published. In this article, we propose a novel method to reconstruct the rib cage, using the same biplanar views as for the 3D reconstruction of the spine, to allow clinical assessment of whole trunk deformities. This technique uses a semi-automatic segmentation of the ribs in the postero-anterior X-ray view and an interactive segmentation of partial rib edges in the lateral view. The rib midlines are automatically extracted in 2D and reconstructed in 3D using the epipolar geometry. For the ribs not visible in the lateral view, the method predicts their 3D shape. The accuracy of the proposed method has been assessed using data obtained from a synthetic bone model as a gold standard and has also been evaluated using data of real patients with scoliotic deformities. Results show that the reconstructed ribs enable a reliable evaluation of the rib axial rotation, which will allow a 3D clinical assessment of the spine and rib cage deformities.CIHR / IRS

A novel method of anatomical landmark selection for rib cage 3D reconstruction from biplanar radiography

Methods to reconstruct anatomical structures in 3D are gaining interest in medicine because they give access to quantitative information on the patient’s geometry. However, these methods are user-dependent and require a trained operator, which is time consuming and a source of error and unreliability. The aim of this work was to validate a novel method of landmark selection to perform the 3D reconstruction of the rib cage from biplanar calibrated radiographies. The method uses digital painting for digitization of anatomical landmarks (eight ribs midlines, posterior extrema, sternum) to build a first estimate of the 3D ribcage geometry. Twenty scoliotic patients were included (Cobb angle: 43° ± 11°) and their ribcage was reconstructed twice with the proposed method by four trained operators. Measurement reproducibility was similar to previously validated methods. Uncertainty (95% CI) was 2.3° for the rib hump measurement, 9.7 mm and 3.8 mm for maximal antero-posterior and lateral diameter, 395 cm3 for ribcage volume. The method was qualitatively considered more user-friendly than previous versions, although it still requires a trained operator, and it took approximately 2 minutes of manual digitization. The new method should facilitate diffusion of 3D quantitative analysis of ribcage in clinical routine

A Novel Method for the 3-D Reconstruction of Scoliotic Ribs From Frontal and Lateral Radiographs

Among the external manifestations of scoliosis, the rib hump, which is associated with the ribs' deformities and rotations, constitutes the most disturbing aspect of the scoliotic deformity for patients. A personalized 3-D model of the rib cage is important for a better evaluation of the deformity, and hence, a better treatment planning. A novel method for the 3-D reconstruction of the rib cage, based only on two standard radiographs, is proposed in this paper. For each rib, two points are extrapolated from the reconstructed spine, and three points are reconstructed by stereo radiography. The reconstruction is then refined using a surface approximation. The method was evaluated using clinical data of 13 patients with scoliosis. A comparison was conducted between the reconstructions obtained with the proposed method and those obtained by using a previous reconstruction method based on two frontal radiographs. A first comparison criterion was the distances between the reconstructed ribs and the surface topography of the trunk, considered as the reference modality. The correlation between ribs axial rotation and back surface rotation was also evaluated. The proposed method successfully reconstructed the ribs of the 6th-12th thoracic levels. The evaluation results showed that the 3-D configuration of the new rib reconstructions is more consistent with the surface topography and provides more accurate measurements of ribs axial rotation.Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada and MENTOR, a strategic training program of the Canadian Institutes of Health Research

Analyse biomécanique d’instrumentations du rachis scoliotique avec vis iliaques

RÉSUMÉ La scoliose neuromusculaire est une déformation de la colonne vertébrale souvent associée à une déformation et une inclinaison du bassin. Dans les cas sévères, le traitement favorisé consiste en une chirurgie d’instrumentation du rachis et du bassin permettant de redresser la colonne vertébrale et de freiner la progression de la déformation. Une longue instrumentation sur plusieurs niveaux vertébraux avec fixation sur les os iliaques permet d’ancrer la structure et de faciliter la correction de l’inclinaison pelvienne. Toutefois, ces fixations iliaques sont soumises à de grandes charges générées pendant et après l’opération pouvant causer des complications. Plusieurs types de fixation iliaque ont été développés, mais la technique actuellement favorisée par les chirurgiens est l’utilisation de vis iliaques. Les vis iliaques sont considérées comme une alternative plus simple et plus sécuritaire que les tiges Galveston anciennement considérées comme le standard des fixations iliaques. Malgré tout, certains risques de défaillance demeurent. En effet, des complications directement reliées à l’utilisation de vis iliaques, telles que le désengagement des tiges et le retrait des vis, ont été observées. Les grands efforts générés sur ces implants sont certainement une cause de ces complications. Certains paramètres de la chirurgie d’instrumentation avec vis iliaques, tels que le point d’insertion, le diamètre, la longueur des vis, l’utilisation de vis sacrées et de connecteurs latéraux et transversaux, sont variables et peuvent influencer les efforts générés aux vis. L’influence de certains de ces paramètres a été évaluée à travers différentes études sur des bassins cadavériques ou synthétiques. Toutefois, ces études ne permettent pas d’évaluer l’influence combinée de plusieurs paramètres sur un même patient. L’objectif général de ce projet est donc d’analyser la biomécanique d’instrumentation avec vis iliaques pour la correction de la scoliose afin d’améliorer les stratégies d’instrumentation pour minimiser les efforts sur les vis et le bassin, ce qui permettrait de réduire les risques de complications associées à la défaillance de l’implantation de vis iliaques. Dans un premier temps, une technique de modélisation numérique multi-corps 3D a été développée et ensuite utilisée pour créer des modèles biomécaniques du rachis personnalisés à partir des radiographies de six patients atteints d’une scoliose neuromusculaire corrigée par une instrumentation allant jusqu'au bassin. Les propriétés mécaniques du rachis ont été tirées de la littérature et personnalisées à partir du test d’inflexion latérale. Les composants des implants ont été modélisés comme des corps rigides reliés par des liaisons cinématiques et les tiges comme----------ABSTRACT Neuromuscular scoliosis is a deformity of the spine frequently associated with pelvic inclination and deformation. In severe cases, the preferred treatment involves spinal surgery and pelvis instrumentation to straighten the spine and stop the progression of the deformity. Pelvic fixation attached to a long spinal instrumentation is used as an anchor facilitating the correction of the pelvic inclination. However, the iliac fixation is subject to large biomechanical loads generated both during and following surgery. Consequently, failures in spinopelvic instrumentations have been reported and several types of iliac fixation have been developed. Currently the preferred technique is the use of iliac screws, which are considered safer and simpler than the standard Galveston technique. However, some complications directly related to the use of iliac screws, such as rod disengagement and screw loosening, have been observed. Loads generated on implants are certainly an important cause of fixation failure. Some instrumentation factors, such as the insertion point, the diameter and the length of the screws, the use of sacral screws, lateral connectors and cross-rod connectors, can influence the loads generated on iliac screws. The influence of some of these parameters was evaluated through experimental studies. However, none of these studies analyzed the combined influence of several variables for the same patient. The overall objective of this project was to biomechanically analyze scoliotic instrumentation in combination with iliac screws to improve instrumentation strategies and minimize loads generated on both the screws and pelvis. Thus, reducing the risk of complications associated with iliac screw related failures. First, a 3D flexible multi-body modeling technique was developed to biomechanically create patient-specific models of six patients with neuromuscular scoliosis corrected with instrumentation including iliac screws. The spinopelvic mechanical properties were defined using data reported in the literature and personalized to each patient via lateral bending tests. Implant components were modeled as rigid bodies connected by kinematic joints and rods were modeled as flexible beams. Surgical maneuvers were modeled and simulated to reproduce surgery for the six cases. Loads generated on iliac screws were evaluated throughout the simulations. The gravitational forces along the longitudinal axis were applied and functional loadings were simulated in order to evaluate the loads generated on the screws following surgery

Reconstruction 3D personnalisée de la cage thoracique pour l'amélioration de la simulation de l'effet de la correction du rachis sur l'apparence externe du tronc

Résumé Afin de procéder à une évaluation clinique de la scoliose, les cliniciens se réfèrent souvent à l'angle de Cobb. Celui-ci ne représente malheureusement que la courbure mesurée sur un plan. De plus, les déformations que subit la cage thoracique ne sont pas toujours corrélées à celle de la colonne vertébrale. Plusieurs techniques ont été proposées afin de fournir au clinicien une information quant à la configuration tridimensionnelle de la cage thoracique. Cependant, il doit souvent se limiter à la correction de la colonne vertébrale, ce qui peut entraîner une persistance des gibbosités après l'opération. Un simulateur permettant de prédire l'effet d'une correction du rachis sur l'apparence externe du tronc serait très utile dans la planification de la chirurgie. Le chirurgien pourra ainsi déterminer la stratégie opératoire qui pourra non seulement redresser la colonne mais réduire les gibbosités qui affectent aussi l'apparence externe du patient. Par contre, les modèles tridimensionnels de la cage thoracique existants ne sont pas complètement personnalisés au patient, et donc limitent la précision des résultats de simulation. L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle technique de reconstruction 3D personnalisée de la cage thoracique, afin d'améliorer les résultats de simulation de la propagation de l'effet d'une chirurgie du rachis sur l'apparence externe du tronc. Les méthodes actuelles de reconstructions 3D de la cage thoracique ne sont pas précises et n'ont pas été validées avec des modèles représentants fidèlement une cage thoracique en position debout. Dans la littérature, la plupart des modèles de références sont obtenus par tomodensitométrie, qui s'effectue en position couchée. Ces modèles sont donc difficilement recommandables pour une validation clinique des méthodes de reconstruction 3D de la cage thoracique à partir de radiographies acquises en position debout. De plus, ces techniques n'offrent que des reconstructions de cage thoracique par modèles filaires, ou des reconstructions surfaciques par déformation de modèles génériques. Ces modèles ne sont pas adéquats dans un contexte de simulation personnalisée, où le but ultime est de planifier la meilleure stratégie à effectuer afin d'obtenir la meilleure correction à l'interne bien sûr, mais surtout à l'externe puisque c'est un facteur important de satisfaction chez le patient. Une nouvelle méthode a été proposée afin de pallier ces problèmes. Celle-ci se base uniquement sur les radiographies standards, soit la radiographie postéro-antérieure à 0° et la radiographie latérale. Premièrement, une détection semi-automatique des côtes est effectuée sur la radiographie postéro-antérieure, et une identification interactive d'un ensemble de points sur les côtes visibles est faite sur la radiographie latérale. Ensuite, une reconstruction automatique des côtes est réalisée par une mise en correspondance de ces points sur deux vues. De plus, les côtes non détectées sur la radiographie latérale, qui sont en général les côtes de la partie supérieure de la cage thoracique, sont prédites à partir des côtes inférieures, ce qui constitue l'originalité de cette méthode. Finalement, une surface est générée le long de la ligne médiane reconstruite. Cette surface représente l'épaisseur réelle de la côte, et sert de point d'ancrage pour les tissus mous lors des simulations de la correction du rachis. Une validation rigoureuse fut menée, grâce à un modèle de cage thoracique synthétique représentant une vraie cage thoracique en position debout. Cela n'a jamais été fait auparavant. Trois sévérités de déformations ont été considérées, soit 0°, 20° et 40° d'angle de Cobb thoracique droite. Dans chacun des cas, le modèle a été numérisé à l'aide d'un appareil de mesure tridimensionnelle et des radiographies ont été acquises. Des reconstructions effectuées par la nouvelle méthode et l'ancienne méthode de reconstruction de la cage thoracique utilisée à l'hôpital Sainte-Justine ont été comparées aux numérisations du modèle synthétique. La méthode proposée offre une erreur moyenne de 11,95 mm (±6,56 mm), 9,30 mm (±5,86 mm) et 8,27 mm (±5,16 mm), comparativement à l'ancienne méthode qui offre une erreur moyenne de 23,98 mm (±11,09 mm), 11,80 mm (±6,56 mm) et 14,05 mm (±9,59 mm), respectivement pour les configurations à 0°, 20° et 40°. De plus, des simulations ont été effectuées sur trois patients afin de déterminer si la cage thoracique obtenue par la nouvelle méthode améliore les résultats. Les résultats obtenus ont clairement démontré qu'une reconstruction précise de la cage thoracique améliore significativement les résultats de simulation. La principale contribution de ce projet réside dans le fait que la méthode proposée permet de faire une évaluation clinique fiable des déformations de la cage thoracique. L'amélioration de la précision de la reconstruction 3D et la personnalisation plus complète de la cage thoracique permettent non seulement cela, mais ouvrent aussi la voie à différentes opportunités. Notamment, la simulation de la chirurgie des côtes, la reconstruction des poumons ou même l'étude de la corrélation entre la structure osseuse interne et la surface externe du tronc bénéficierait grandement d'une cage thoracique personnalisée. Tous ces projets, globalement, contribuent à diminuer la quantité de radiation infligée aux patients, car ceux-ci auront de moins en moins à subir de radiographies afin de faire un suivi clinique.----------Abstract To evaluate scoliosis severity in the clinical setting, clinicians often refer to the Cobb angle. Unfortunately, this angle only represents a curve on a plane. Furthermore, the deformities sustained by the rib cage are not always correlated to those of the spine. Many techniques have been proposed to help the clinician by providing information about the three dimensional configuration of the rib cage. However, he must sometimes only correct the spine and rib humps may persist. A simulator predicting the effects of a spine correction on the external appearance of the trunk would be useful to plan the surgery. However, three dimensional rib cage models used are not fully personalised to each patient, thus limiting the precision of the results of the simulation. The goal of this project is to develop a new method for personalised 3D reconstruction of the rib cage, in order to improve the results of simulating the propagation of the spinal correction to the external trunk. Current methods of 3D reconstruction of the rib cage are not precise and have not been validated with models that faithfully represent a rib cage in standing position. In the literature, most reference models are obtained by computed tomography (CT) scans, which are acquired in supine position. Such models are thus inappropriate for a clinical assessment of the 3D reconstruction methods based on radiographs acquired in standing position. Furthermore, the existing methods only provide the reconstruction of the rib midlines or complete 3D rib cage models obtained by deforming generic models. These reconstructions are not adequate in the context of personalized simulation, where the ultimate goal is to plan the clinical strategy providing the best correction both of the internal structures and of the external appearance of the trunk, the latter being the main factor contributing to patient satisfaction. We have proposed a new method in order to address these problems. This method is based only on the two standards radiographs, i.e. the postero-anterior view at 0° and the lateral view. First of all, a semi-automatic detection of the ribs is done on the postero-anterior radiograph, followed by an interactive identification of a set of points on the visible ribs in the lateral view. Then, an automatic reconstruction of the ribs is performed by means of stereo matching points. The originality of this method is that it can predict the undetected ribs in the lateral view, which are mostly those of the upper section of the rib cage, based on the reconstruction of the lower ribs. Finally, a surface is generated along the rib's 3D midline. This surface represents the real thickness of the rib and serves as an anchor for the attachment of soft tissues during the simulation of the spine correction's effect on the whole trunk. A thorough validation was conducted with the help of a synthetic rib cage model. This model represents a real rib cage in standing position . This kind of validation has never been done before. Three cases of scoliotic deformation were considered, namely 0°, 20° and 40° of right-thoracic Cobb angle. In each case, the model was digitized with a coordinate measuring machine and radiographed. 3D reconstructions of the rib cage obtained by the proposed method and the existing method used at Sainte-Justine Hospital were compared to the digitized model. The new method yields mean errors of 11,95 mm (±6,56 mm), 9,30 mm (±5,86 mm) and 8,27 mm (±5,16 mm), compared to the old method which yields mean errors of 23,98 mm (±11,09 mm), 11,80 mm (±6,56 mm) and 14,05 mm (±9,59 mm), for the 0°, 20° and 40° deformations, respectively. Furthermore, simulations were performed on three patients to determine if the rib cage produced by the new method improves the results of the simulator. The results clearly demonstrated that a precise reconstruction of the rib cage significantly improves the simulation results. The main contribution of this project lies in the fact that the new method allows a reliable clinical assessment of rib cage deformities. In addition, the enhanced precision of the 3D reconstruction and the more complete personalization of the rib cage model open up new possibilities. In particular, the simulation of other surgical interventions such as rib resection and lung reconstruction, as well as studies on the relationship between internal bone structures and external trunk shape, could all benefit from a personalized rib cage. Globally, all these projects contribute to reducing the amount of radiation inflicted to patients because less radiographs will be required in order to make a clinical follow up

Reconstruction 3D personnalisée de la cage thoracique pour l'amélioration de la simulation de l'effet de la correction du rachis sur l'apparence externe du tronc

Résumé Afin de procéder à une évaluation clinique de la scoliose, les cliniciens se réfèrent souvent à l'angle de Cobb. Celui-ci ne représente malheureusement que la courbure mesurée sur un plan. De plus, les déformations que subit la cage thoracique ne sont pas toujours corrélées à celle de la colonne vertébrale. Plusieurs techniques ont été proposées afin de fournir au clinicien une information quant à la configuration tridimensionnelle de la cage thoracique. Cependant, il doit souvent se limiter à la correction de la colonne vertébrale, ce qui peut entraîner une persistance des gibbosités après l'opération. Un simulateur permettant de prédire l'effet d'une correction du rachis sur l'apparence externe du tronc serait très utile dans la planification de la chirurgie. Le chirurgien pourra ainsi déterminer la stratégie opératoire qui pourra non seulement redresser la colonne mais réduire les gibbosités qui affectent aussi l'apparence externe du patient. Par contre, les modèles tridimensionnels de la cage thoracique existants ne sont pas complètement personnalisés au patient, et donc limitent la précision des résultats de simulation. L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle technique de reconstruction 3D personnalisée de la cage thoracique, afin d'améliorer les résultats de simulation de la propagation de l'effet d'une chirurgie du rachis sur l'apparence externe du tronc. Les méthodes actuelles de reconstructions 3D de la cage thoracique ne sont pas précises et n'ont pas été validées avec des modèles représentants fidèlement une cage thoracique en position debout. Dans la littérature, la plupart des modèles de références sont obtenus par tomodensitométrie, qui s'effectue en position couchée. Ces modèles sont donc difficilement recommandables pour une validation clinique des méthodes de reconstruction 3D de la cage thoracique à partir de radiographies acquises en position debout. De plus, ces techniques n'offrent que des reconstructions de cage thoracique par modèles filaires, ou des reconstructions surfaciques par déformation de modèles génériques. Ces modèles ne sont pas adéquats dans un contexte de simulation personnalisée, où le but ultime est de planifier la meilleure stratégie à effectuer afin d'obtenir la meilleure correction à l'interne bien sûr, mais surtout à l'externe puisque c'est un facteur important de satisfaction chez le patient. Une nouvelle méthode a été proposée afin de pallier ces problèmes. Celle-ci se base uniquement sur les radiographies standards, soit la radiographie postéro-antérieure à 0° et la radiographie latérale. Premièrement, une détection semi-automatique des côtes est effectuée sur la radiographie postéro-antérieure, et une identification interactive d'un ensemble de points sur les côtes visibles est faite sur la radiographie latérale. Ensuite, une reconstruction automatique des côtes est réalisée par une mise en correspondance de ces points sur deux vues. De plus, les côtes non détectées sur la radiographie latérale, qui sont en général les côtes de la partie supérieure de la cage thoracique, sont prédites à partir des côtes inférieures, ce qui constitue l'originalité de cette méthode. Finalement, une surface est générée le long de la ligne médiane reconstruite. Cette surface représente l'épaisseur réelle de la côte, et sert de point d'ancrage pour les tissus mous lors des simulations de la correction du rachis. Une validation rigoureuse fut menée, grâce à un modèle de cage thoracique synthétique représentant une vraie cage thoracique en position debout. Cela n'a jamais été fait auparavant. Trois sévérités de déformations ont été considérées, soit 0°, 20° et 40° d'angle de Cobb thoracique droite. Dans chacun des cas, le modèle a été numérisé à l'aide d'un appareil de mesure tridimensionnelle et des radiographies ont été acquises. Des reconstructions effectuées par la nouvelle méthode et l'ancienne méthode de reconstruction de la cage thoracique utilisée à l'hôpital Sainte-Justine ont été comparées aux numérisations du modèle synthétique. La méthode proposée offre une erreur moyenne de 11,95 mm (±6,56 mm), 9,30 mm (±5,86 mm) et 8,27 mm (±5,16 mm), comparativement à l'ancienne méthode qui offre une erreur moyenne de 23,98 mm (±11,09 mm), 11,80 mm (±6,56 mm) et 14,05 mm (±9,59 mm), respectivement pour les configurations à 0°, 20° et 40°. De plus, des simulations ont été effectuées sur trois patients afin de déterminer si la cage thoracique obtenue par la nouvelle méthode améliore les résultats. Les résultats obtenus ont clairement démontré qu'une reconstruction précise de la cage thoracique améliore significativement les résultats de simulation. La principale contribution de ce projet réside dans le fait que la méthode proposée permet de faire une évaluation clinique fiable des déformations de la cage thoracique. L'amélioration de la précision de la reconstruction 3D et la personnalisation plus complète de la cage thoracique permettent non seulement cela, mais ouvrent aussi la voie à différentes opportunités. Notamment, la simulation de la chirurgie des côtes, la reconstruction des poumons ou même l'étude de la corrélation entre la structure osseuse interne et la surface externe du tronc bénéficierait grandement d'une cage thoracique personnalisée. Tous ces projets, globalement, contribuent à diminuer la quantité de radiation infligée aux patients, car ceux-ci auront de moins en moins à subir de radiographies afin de faire un suivi clinique.----------Abstract To evaluate scoliosis severity in the clinical setting, clinicians often refer to the Cobb angle. Unfortunately, this angle only represents a curve on a plane. Furthermore, the deformities sustained by the rib cage are not always correlated to those of the spine. Many techniques have been proposed to help the clinician by providing information about the three dimensional configuration of the rib cage. However, he must sometimes only correct the spine and rib humps may persist. A simulator predicting the effects of a spine correction on the external appearance of the trunk would be useful to plan the surgery. However, three dimensional rib cage models used are not fully personalised to each patient, thus limiting the precision of the results of the simulation. The goal of this project is to develop a new method for personalised 3D reconstruction of the rib cage, in order to improve the results of simulating the propagation of the spinal correction to the external trunk. Current methods of 3D reconstruction of the rib cage are not precise and have not been validated with models that faithfully represent a rib cage in standing position. In the literature, most reference models are obtained by computed tomography (CT) scans, which are acquired in supine position. Such models are thus inappropriate for a clinical assessment of the 3D reconstruction methods based on radiographs acquired in standing position. Furthermore, the existing methods only provide the reconstruction of the rib midlines or complete 3D rib cage models obtained by deforming generic models. These reconstructions are not adequate in the context of personalized simulation, where the ultimate goal is to plan the clinical strategy providing the best correction both of the internal structures and of the external appearance of the trunk, the latter being the main factor contributing to patient satisfaction. We have proposed a new method in order to address these problems. This method is based only on the two standards radiographs, i.e. the postero-anterior view at 0° and the lateral view. First of all, a semi-automatic detection of the ribs is done on the postero-anterior radiograph, followed by an interactive identification of a set of points on the visible ribs in the lateral view. Then, an automatic reconstruction of the ribs is performed by means of stereo matching points. The originality of this method is that it can predict the undetected ribs in the lateral view, which are mostly those of the upper section of the rib cage, based on the reconstruction of the lower ribs. Finally, a surface is generated along the rib's 3D midline. This surface represents the real thickness of the rib and serves as an anchor for the attachment of soft tissues during the simulation of the spine correction's effect on the whole trunk. A thorough validation was conducted with the help of a synthetic rib cage model. This model represents a real rib cage in standing position . This kind of validation has never been done before. Three cases of scoliotic deformation were considered, namely 0°, 20° and 40° of right-thoracic Cobb angle. In each case, the model was digitized with a coordinate measuring machine and radiographed. 3D reconstructions of the rib cage obtained by the proposed method and the existing method used at Sainte-Justine Hospital were compared to the digitized model. The new method yields mean errors of 11,95 mm (±6,56 mm), 9,30 mm (±5,86 mm) and 8,27 mm (±5,16 mm), compared to the old method which yields mean errors of 23,98 mm (±11,09 mm), 11,80 mm (±6,56 mm) and 14,05 mm (±9,59 mm), for the 0°, 20° and 40° deformations, respectively. Furthermore, simulations were performed on three patients to determine if the rib cage produced by the new method improves the results of the simulator. The results clearly demonstrated that a precise reconstruction of the rib cage significantly improves the simulation results. The main contribution of this project lies in the fact that the new method allows a reliable clinical assessment of rib cage deformities. In addition, the enhanced precision of the 3D reconstruction and the more complete personalization of the rib cage model open up new possibilities. In particular, the simulation of other surgical interventions such as rib resection and lung reconstruction, as well as studies on the relationship between internal bone structures and external trunk shape, could all benefit from a personalized rib cage. Globally, all these projects contribute to reducing the amount of radiation inflicted to patients because less radiographs will be required in order to make a clinical follow up

Facteurs biomécaniques de risques de la cyphose jonctionnelle proximale

RÉSUMÉ Les déformations rachidiennes telles que la scoliose sont des pathologies du système musculo-squelettique qui nécessitent un traitement chirurgical d’instrumentation dans les cas de courbures pathologiques sévères (angle de Cobb > 40° pour les cas de scoliose) (Weinstein 2001; Morcuende and Weinstein 2003). Cette intervention d’instrumentation consiste à fixer des implants sur les vertèbres et redresser le rachis à l’aide de tiges métalliques, ce qui mène à la fusion permanente du rachis. Bien que ce traitement permette une correction efficace des courbures pathologiques du rachis (Weinstein 2001), la survenue de complications postopératoires peut parfois entraîner une révision de l’instrumentation. La première cause de révision est la cyphose jonctionnelle proximale (CJP) (Schairer, Carrer et al. 2013), avec une prévalence entre 20% et 43% (Yang and Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). La CJP se manifeste comme une hypercyphose des vertèbres adjacentes au-dessus de l'instrumentation. Plusieurs études rétrospectives ont été réalisées afin d’en identifier les causes. Les facteurs de risque associés à la survenue et à la progression de la CJP incluent la dissection proximale des tissus mous postérieurs, la dégénérescence de la capsule articulaire, l’équilibre sagittal pré- et postopératoire, la thoracoplastie, la qualité osseuse, l'obésité et la raideur de l’instrumentation (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald and Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). Ainsi, on rapporte que la CJP pourrait être associée au nombre de vertèbres instrumentées, au type d’implant proximal ou de manière plus générale à la configuration de l'instrumentation au niveau de la vertèbre proximale instrumentée. Les pathomécanismes de la CJP demeurent toutefois encore controversés. En effet, les conclusions rapportées dans la littérature sont parfois contradictoires et n’arrivent pas à isoler l’effet spécifique d’une variable donnée par rapport à la CJP. En outre, aucune étude biomécanique n’a rapporté l'impact biomécanique de différentes variables de la chirurgie rachidienne sur les indices géométrico-mécaniques reliés à la CJP. L’objectif de ce projet de maîtrise a donc été de développer un modèle biomécanique de la chirurgie d’instrumentation afin d’analyser et comprendre les pathomécanismes postopératoires du segment jonctionnel proximal du rachis. Six variables chirurgicales pouvant augmenter potentiellement le risque de survenue de la CJP ont ainsi été analysées.----------ABSTRACT Spinal deformities such as scoliosis are a group of musculoskeletal disorders requiring surgical instrumentation in cases of severe pathological curvatures (e.g. Cobb angle > 40° for scoliosis) (Weinstein 2001; Morcuende and Weinstein 2003). Spinal instrumentation is a surgical procedure that stabilizes the spine and fuses vertebrae with implanted devices, such as metallic rods, screws and hooks. Although this treatment allows effective correction of pathological spinal curvatures (Weinstein 2001), the occurrence of postoperative complications can sometimes lead to a revision of the instrumentation. The first cause of revision surgery is the proximal junctional kyphosis (PJK) (Schairer, Carrer et al. 2013), having a prevalence between 20% and 43% (Yang and Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). PJK appears as a hyperkyphosis of non instrumented proximal vertebrae. Several retrospective studies have been conducted to identify its causes. Risk factors related to PJK occurrence and progression include the proximal dissection of the posterior soft tissues, the joint capsule degeneration, the pre- and postoperative sagittal balance, the thoracoplasty, the bone quality, the obesity and the stiffness of the instrumentation (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald and Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). It is also reported that PJK could be associated to the number of instrumented vertebrae, the type of proximal implant or the construct configuration at upper instrumented vertebra. However, pathomechanisms of PJK are still controversial because findings reported in the literature are sometimes contradictory and not able to isolate the effect of a specific variable on PJK. In addition, no computational study has reported the impact of several surgical variables on biomechanical indices related to PJK. The objective of this Master project was therefore to develop a biomechanical model of spinal instrumentation in order to analyze and better understand the postoperative pathomechanisms of proximal junctional spinal segment. Six surgical variables potentially increasing the risk for PJK occurrence have been analyzed. In order to achieve this objective, a multibody model was developed and validated to computationally simulate surgical instrumentations of six adult patients affected by PJK. For each case, the spinal tridimensional geometry was reconstructed using two calibrated preoperative radiographs (postero-anterior and lateral). In these models, each vertebra wa

Biomechanical Simulator for the Surgical Correction of Sagittal Balance in Adult Spinal Deformity

RÉSUMÉ Pour maintenir une posture érigée minimisant les dépenses énergétiques, l’alignement de la colonne vertébrale dans le plan sagittal est d’une grande importance. Dans le contexte des déformations de la colonne vertébrale chez l'adulte, un mauvais alignement dans le plan sagittal demande une dépense énergétique plus élevée et est associé à la douleur et à une perte de fonction. Le maintien d'une posture érigée dans de telles conditions implique une activation accrue des muscles du tronc et l'utilisation de mécanismes compensatoires pour contrebalancer le débalancement antérieur du haut du corps. L'instrumentation chirurgicale est indiquée chez les patients souffrant de grandes douleurs et de handicaps lorsque les traitements non chirurgicaux ne sont plus suffisants. Cette procédure consiste à insérer des vis dans les pédicules des vertèbres et à redresser la colonne vertébrale à l’aide de tiges métalliques, ce qui conduit à la fusion permanente de la colonne vertébrale. Pour la correction de déformations importantes et manquant de flexibilité dans le plan sagittal, l'ostéotomie de soustraction pédiculaire (OSP) est une procédure souvent utilisée pour rétablir le profil sagittal normal de la colonne lombaire. Cette technique implique la résection des éléments postérieurs de la vertèbre ainsi qu’un coin d’os dans le corps vertébral pour créer une forte angulation de la colonne vertébrale. C'est une procédure très exigeante en raison des risques de complications mécaniques. De nombreux facteurs de risque ayant une incidence sur les taux de complications mécaniques après une instrumentation chirurgicale avec OSP ont été identifiés dans le cadre d’études cliniques. Les patients ayant eu des complications mécaniques avaient reçu une correction significativement plus grande de l’axe vertical sagittal, un cintrage plus grand des tiges dans le plan sagittal et une ostéotomie réalisée à un niveau plus caudal. Il a également été démontré que jusqu'à 40% des patients gardaient un alignement sagittal antérieur après une chirurgie avec OSP et qu'un alignement sagittal non neutre était associé à des taux plus élevés de révision chirurgicale. Même si des objectifs chirurgicaux globaux ont été définis avec la classification SRS-Schwab pour la correction du déséquilibre sagittal, la stratégie chirurgicale optimale spécifique au patient reste mal définie. En outre, malgré les études cliniques et biomécaniques, les relations entre les contraintes mécaniques dans l'instrumentation et les différents paramètres de correction dans le plan sagittal (degré de correction sagittale par variation de l'angle de l’OSP et de l'angle de cintrage des tiges, niveau vertébral de l’OSP et nombre de tiges) sont encore mal comprises. Les connaissances biomécaniques sur les facteurs de risque et leurs effets sur les complications mécaniques liées aux OSP telles que le bris des tiges sont encore limitées et une meilleure compréhension de l'impact biomécanique des OSP pourrait être un excellent outil pour aider les chirurgiens dans leur planification préopératoire de la correction du déséquilibre sagittal.----------ABSTRACT To maintain an erect posture minimizing energy expenditure, the alignment of the spine in the sagittal plane is of great importance. In adult spine deformity (ASD), sagittal misalignment requires higher energy expenditure and is associated with pain and loss of function. Maintaining an erect posture in such conditions involves increased trunk muscles activation and the use of compensatory mechanisms to counter balance the shift of the upper body. Surgical instrumentation is indicated for patients with high pain and disabilities when non-surgical treatments are not sufficient. This procedure consists in inserting screws in the pedicles of the vertebrae and straightening the spine with metal rods connected to the pedicle screws, leading subsequently to the permanent fusion of the spine. For the correction of large and rigid deformities in the sagittal plane, pedicle subtraction osteotomy (PSO) is a procedure used to restore normal sagittal profile of the lumbar spine. This technique involves a wedge-shaped resection of the vertebral body along with all posterior elements of the vertebra to locally increase the lumbar lordosis. It is a highly demanding procedure due to the risks of mechanical complications. Patients with mechanical complications after PSO had a significantly greater correction of the sagittal vertical axis, higher sagittal contour of the rods, and osteotomy performed at a more caudal level. It was also reported that up to 40% of patients kept an anterior sagittal alignment after surgery with PSO and a non-neutral sagittal alignment is associated with higher rates of revision surgery. Even though global surgical objectives have been defined through the SRS-Schwab ASD classification for the correction of sagittal imbalance, patient-specific optimal surgical strategy is still poorly defined. Also, despite clinical and biomechanical investigations, relations between stresses in the instrumentation and different sagittal correction parameters (amount of sagittal correction through varying PSO wedge angle and rod sagittal contouring angle, vertebral level of the PSO and number of rods) is still not well understood. Biomechanical knowledge of the reported risk factors and their effects on mechanical complications related to PSO such as rod breakage are still limited and a better understanding of the PSO’s biomechanical impact could be a great tool to assist surgeons in their preoperative planning of sagittal imbalance correction. Therefore, this project aims to address the following research question: « How do PSO resection angle, rod curvature, vertebral level of the PSO, and number of rods biomechanically impact the correction of sagittal balance and loads in the construct, and how should they be adjusted to reduce the risks of mechanical failure in adult spinal deformity?