Design, Optimization, and Evaluation of a Fusionless Device to Induce Growth Modulation and Correct Spinal Curvatures in Adolescent Idiopathic Scoliosis

RÉSUMÉ La scoliose est une déformation musculo-squelettique complexe et tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Les mécanismes de progression de la scoliose sont liés au principe de Hueter-Volkmann. Selon cette théorie, les chargements asymétriques des plaques de croissance altèrent la croissance du rachis (cunéiformisation des vertèbres). Une courbure scoliotique présentant un angle de Cobb supérieur à 50° nécessite généralement une intervention chirurgicale avec fusion rachidienne. Cette chirurgie implique des procédures particulièrement invasives et coûteuses, ce qui a incité plusieurs chercheurs à tenter de développer d‘autres alternatives. Des techniques minimalement invasives et sans fusion ont ainsi été élaborées pour contrôler et corriger un mauvais alignement de la colonne vertébrale avant qu'une progression trop importante des déformations scoliotiques ne se produise. Ces techniques tentent d'exploiter la croissance vertébrale résiduelle afin de corriger la cunéiformisation locale et d‘aboutir à un réalignement progressif du rachis. Les traitements sans fusion semblent également mettre en péril la santé du disque intervertébral à long terme et se limitent à une correction 2D (plan frontal) de déformations intrinsèquement 3D. Mieux comprendre biomécaniquement la progression des déformations scoliotiques permettrait de développer des dispositifs sans fusion plus efficaces. Cela serait une contribution importante et innovatrice à l'amélioration du traitement de la scoliose idiopathique adolescente (SIA). L'objectif global de cette thèse était le développement, l‘optimisation, et l‘évaluation expérimentale d'implants sans fusion afin de moduler la croissance et de corriger les déformations scoliotiques. Les objectifs spécifiques étaient de 1) développer un modèle par éléments finis (MEF) de la colonne vertébrale intégrant une modélisation de la croissance; 2) exploiter ce MEF pour étudier les facteurs biomécaniques impliqués dans les mécanismes de progression de la SIA; 3) exploiter le MEF pour analyser la biomécanique des dispositifs sans fusion existant actuellement et repérer les améliorations pouvant être apportées à ces dispositifs; et 4) exploiter la plate-forme de conception conçue (analyses in silico, in situ, et in vivo) pour développer, optimiser, et valider de nouveaux dispositifs sans fusion modulateurs de croissance pour la correction des déformations de la SIA.----------ABSTRACT Scoliosis is a spinal musculoskeletal deformity defined by a 3D deformity of the spine. The pathomechanism of scoliotic progression may be in part explained by the Hueter-Volkmann principle. This theory describes how increased loading of growth plates will reduce regular growth rates while the converse is also accurate. Further, when extended to the pathogenesis of scoliosis, it defines how asymmetric loading of the vertebral bodies leads to the progression of the deformity via vertebral wedging. Currently, a scoliotic curve reaching a magnitude of 50° Cobb deformation requires surgical intervention involving instrumentation and spinal fusion. The process of fusion is among the most invasive and expensive procedures, which has motivated several researchers to develop other alternatives. The development of a less invasive technique, to control and correct a spinal misalignment before undesirable progression occurs, has subsequently been explored. Several fusionless devices have been developed that attempt to manipulate vertebral growth to correct vertebral wedging and, consequently, realign the spine. However, to date, these approaches have yet to be adopted in a clinical context. Moreover, devices actively pursued seemed to imperil the long term health of the intervertebral disc while corrective attempts are restricted to the unilateral manipulation of a 3D deformity. Therefore, enhanced biomechanical understanding of AIS pathomechanism in conjunction with the development of early and less invasive interventions would offer an important contribution to the improved treatment of AIS. The global objective of this thesis was to design, optimize, and evaluated experimentally fusionless device concepts to induce growth modulation and correct spinal curvatures in adolescent idiopathic scoliosis (AIS). The specific objectives were to: 1) develop a FEM of the spine with integrated growth dynamics; 2) exploit the FEM to explore biomechanical factors involved in the pathomechanism of AIS; 3) exploit the FEM to analyze biomechanically current fusionless growth sparring devices to identify available avenues of improvement; and 4) exploit the devised developmental platform (in silico, in situ, and in vivo analyses) to develop, optimize, and validate novel and improved fusionless growth modulating devices for AIS

Porcine Spine Finite Element Model of Progressive Experimental Scoliosis and Assessment of a New Dual-Epiphyseal Growth Modulating Implant

RÉSUMÉ La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont l’étiologie reste encore à élucider. Il est généralement admis que la progression de la déformation scoliotique pédiatrique est liée au principe d’Hueter-Volkmann qui stipule une réduction de la croissance suite à des contraintes en compression excessives au niveau de la concavité de la courbure scoliotique vs. sa convexité. Les stratégies de traitement des courbures sont difficiles, surtout chez les jeunes enfants. Typiquement, une intervention chirurgicale avec une instrumentation rachidienne accompagnée d’une arthrodèse segmentaire est nécessaire pour des courbures progressant au-delà de 40° d’angle de Cobb. De nouveaux dispositifs visent à manipuler la croissance vertébrale en exploitant le principe d’Hueter-Volkmann pour contrôler la progression de et corriger la courbure. Ces implants sans fusion exploitent la croissance vertébrale résiduelle en manipulant des gradients de croissance pour localement inverser la cunéiformisation vertébrale et, au fil du temps, réaligner la colonne vertébrale globalement. Des essais cliniques ont démontré une correction prometteuse pour les courbures généralement inférieures à 45°; cependant, les dispositifs actuels chevauchent l’espace du disque intervertébral et le compriment augmentant les risques de dégénérescence du disque à long terme. Par ailleurs, les implants nouvellement conçus sont généralement testés en utilisant des modèles animaux équivalents pour évaluer leur efficacité à corriger des déformations par l'intermédiaire de l’approche inverse (création d'une déformation) ou l’approche à 2- étapes (création d'une déformation suivie d’une correction). Néanmoins, une plate-forme de conception efficace est nécessaire pour évaluer la manipulation de la croissance à court et long termes par de nouveaux implants et de raccourcir le transfert de connaissances vers des applications cliniques. L’objectif général de cette thèse était de développer et de vérifier un modèle par éléments finis porcin (MEFp) unique en tant qu’une plateforme alternative pour la simulation de scolioses expérimentales progressives et des implants sans fusion, et d’évaluer un nouvel implant double-épiphysaire local ne chevauchant pas l’espace du disque sur des porcs immatures. Ainsi, les objectifs spécifiques suivants ont été complétés : 1) développer et----------ABSTRACT Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine whose etiology is yet to be elucidated. The pathomechanism of scoliosis progression is believed to be linked to the Hueter-Volkmann principle, by which growth is reduced due to increased growth plate compression, with the inverse also valid. Treatment strategies are challenging, especially in young children. Curves progressing beyond 40° Cobb angle are typically treated via invasive surgical interventions requiring spinal instrumentation accompanied by segmental spinal arthrodesis, impairing spinal mobility. New devices aim at manipulating vertebral growth by exploiting the Hueter-Volkmann principle to control curvature progression. These fusionless implants harness remaining vertebral growth by manipulating growth gradients to reverse vertebral wedging locally and, over time, globally realign the spine. Clinical trials have demonstrated promising deformity correction for curves generally below 45°; however, current devices bridge the intervertebral disc gap and predominantly compress the disc increasing the risks of longterm disc degeneration. Moreover, in a time-consuming manner, newly designed implants are commonly tested using equivalent animal models to assess their efficacy in correcting spinal deformities via the inverse (creation of a deformity) or the 2-step approaches (creation of a deformity followed by its subsequent correction). Nevertheless, a solid design platform is required to evaluate the short- and long-term growth manipulating efficacy of new implant designs and shorten knowledge transfer to clinical applications. The general objective of this thesis was to develop and verify a unique porcine spine finite element model (pFEM) as an alternative testing platform for the simulation of progressive experimental scoliosis and fusionless implants, and assess a new localized dualepiphyseal implant on immature pigs. Thus, specific objectives were devised as follows: 1) develop and verify a distinctive pFEM of the spine and ribcage, 2) develop and test, in vivo, a dual-epiphyseal implant incorporating a custom expansion mechanism, 3) exploit the developed pFEM to investigate differences between the inverse and 2-step fusionless implant testing approaches, and 4) exploit the pFEM to evaluate the biomechanical contribution of the ribcage in fusionless scoliosis surgery

Planification chirurgicale pour la correction 3D de la scoliose pédiatrique progressive à l’aide d’un dispositif sans fusion flexible

La scoliose idiopathique pédiatrique est une déformation de la colonne vertébrale affectant entre 2% et 3% de la population. Cette pathologie présente différentes caractéristiques dans les trois plans de l’espace : une déviation latérale des vertèbres dans le plan frontal, une modification des courbures dans le plan sagittal, pouvant parfois inclure une réduction des courbes physiologiques, et une rotation vertébrale dans le plan transverse, dont la conséquence peut être la génération d’une gibbosité du thorax. La Société de la recherche sur la scoliose (SRS) propose une classification en fonction de l’âge du diagnostic : scoliose infantile (0 à 3 ans), juvénile (4 à 10 ans) et adolescente (11 à 18 ans). Les causes à l’origine de l’apparition et de la progression des courbures scoliotiques sont encore méconnues. Certains facteurs, tels que le niveau de maturité squelettique et les caractéristiques de la courbure, ont été ciblés comme étant des indicateurs de progression de la courbure. Des facteurs biomécaniques peuvent aussi expliquer le caractère progressif de certaines scolioses, notamment par le biais de la loi de Hueter-Volkmann. Selon ce principe, les déformations scoliotiques ont comme conséquence l'application d'un chargement asymétrique sur les plaques de croissance épiphysaires des vertèbres, engendrant ainsi une croissance asymétrique des vertèbres. Ce principe de modulation de la croissance stipule qu'une augmentation de la compression inhibe la croissance osseuse tandis qu'une diminution de la compression comparativement à un chargement normal la stimule. Cette situation donne lieu à l’établissement d’un ''cercle vicieux'' de progression puisque les vertèbres affectées par la déformation sont soumises à des chargements asymétriques de plus en plus importants, contribuant à aggraver la déformation. Pour des patients atteints d’une déformation sévère (angle de Cobb > 45°), un traitement chirurgical impliquant une instrumentation avec fusion vertébrale peut être considéré. C’est une chirurgie invasive qui rigidifie de façon importante et permanente la colonne vertébrale. Dans le cas des patients pédiatriques présentant des courbes sévères et progressives, des dispositifs chirurgicaux sans fusion peuvent être utilisés afin d’éviter ou de retarder le recours à l’arthrodèse vertébrale. Ces dispositifs sans fusion utilisent le principe de modulation de la croissance (loi de Hueter-Volkmann) afin de rééquilibrer les chargements asymétriques appliqués sur les vertèbres dans le but de contrôler la progression de la courbure tout en permettant la croissance. Il est estimé qu’environ 5% des patients atteints de scoliose devront subir un traitement chirurgical. Les différents traitements chirurgicaux sans fusion peuvent être catégorisés en trois approches distinctes : par distraction du côté concave de la courbure, par approche guidée pour la croissance et par compression du côté convexe de la courbure. Les approches par distraction et par guidage présentent des limitations impliquant des chirurgies répétitives, un taux de complications élevés (entre 58% et 100%) et la fusion de certains segments vertébraux. L’approche par compression est quant à elle une approche minimalement invasive n'impliquant aucune fusion du rachis. Un dispositif sans fusion relativement récent appelé attache du corps vertébral antérieur, « Tether » ou « Anterior Vertebral Body Tethering » implique d’instrumenter le côté convexe de la courbure à l’aide d’implants vertébraux et d’un câble souple. La mise en tension du câble permet d’appliquer des forces compressives sur la convexité de la courbure pour moduler la croissance des vertèbres tout en conservant la flexibilité du rachis. Bien que quelques études de cas cliniques montrent la possibilité de corriger progressivement la courbure scoliotique avec ce dispositif, il y a peu d'informations dans la littérature en ce qui concerne son comportement biomécanique. La planification chirurgicale demeure empirique en ce qui concerne l’identification des niveaux instrumentés, la position des implants vertébraux et la tension appliquée dans le câble. Les limitations associées au dispositif sans fusion Tether sont une progression ou une sur-correction (inversion du côté) de la courbure dans le temps, un manque de contrôle sur la correction 3D (plan sagittal et rotation axiale) et une possible dégénérescence du disque intervertébral si les forces compressives appliquées sont trop importantes. L’objectif général de cette thèse était de compléter le développement puis de vérifier, valider et exploiter un modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique intégrant la croissance comme plateforme pour la planification chirurgicale et la maximisation de la correction 3D à court et moyen termes du dispositif sans fusion Tether. Le premier objectif spécifique était de compléter le développement du modèle, vérifier et valider le modèle permettant de représenter le comportement biomécanique du rachis scoliotique pédiatrique, incluant la croissance et la progression de la courbure scoliotique, et permettant de simuler l’effet correctif immédiat et après deux ans du dispositif sans fusion Tether. Le deuxième objectif impliquait le développement et l'évaluation d'un outil numérique de planification chirurgicale pour le dispositif sans fusion Tether afin de maximiser la correction 3D à court et long-terme de la scoliose pédiatrique. Finalement, le troisième objectif visait à évaluer l’effet de différents paramètres chirurgicaux sur la correction 3D et la distribution des forces appliquées aux plaques de croissance épiphysaires et aux disques intervertébraux Cette thèse visait à répondre à trois hypothèses. 1) Le modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique intégrant la croissance et la modulation de croissance représente le comportement biomécanique de la colonne vertébrale pédiatrique et l’effet de modulation de croissance du dispositif sans fusion (± 5°: angles de Cobb, cyphose, lordose et rotation vertébrale, et ± 10% : longueur du rachis). 2) La simulation du positionnement du patient en décubitus latéral affecte de façon significative la correction intra- et postopératoire (p-value < 0.05, différence ≥ 5°). 3) Le positionnement des implants vertébraux et la tension dans le câble du dispositif sans fusion affecte de façon significative les forces correctives appliquées aux plaques de croissance épiphysaires, et donc affecte de façon significative la correction 3D à court et long-terme des courbures scoliotiques (p-value < 0.05, différence ≥ 5°). Trois études ont été réalisées afin de répondre aux objectifs précédemment énoncés. En amont des trois études, un modèle par éléments finis ostéo-ligamentaire de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin représentant le comportement biomécanique du rachis scoliotique pédiatrique déjà existant a été adapté afin de permettre une intégration cohérente de celui-ci en tant qu’outil numérique de planification chirurgicale. Ce modèle biomécanique spécifique au patient est obtenu à partir des radiographies bi-planaires et de la reconstruction 3D du squelette du patient. Les propriétés mécaniques des disques intervertébraux représentés dans le modèle peuvent être calibrées afin de personnaliser la flexibilité du modèle au patient. La croissance et le principe de modulation de croissance vertébrale ont été intégrés au modèle, suivant le principe de Hueter-Volkmann (l’augmentation/réduction des chargements en compression sur les plaques de croissance inhibe/stimule la croissance vertébrale). Ce modèle permet la simulation de la progression naturelle de la courbure sans instrumentation. Il permet aussi de simuler l’installation du dispositif Tether ainsi que la correction immédiate et à long-terme en considérant la modulation de croissance générée par le dispositif. La première étude a permis d’exploiter le modèle pour développer et vérifier un outil de planification chirurgicale préopératoire permettant de prédire la correction 3D à court et à moyen-terme du dispositif Tether. Les résultats ont été vérifiés en utilisant 20 patients instrumentés avec le Tether, pour évaluer la correction postopératoire immédiate et après 2 ans de croissance. La comparaison entre les résultats simulés et les résultats cliniques a montré que les angles de Cobb simulés, les angles de cyphose thoracique et de lordose lombaire ainsi que la rotation axiale vertébrale étaient à moins de 4°, 5° et 4° respectivement de leur valeur réelle pour la correction postopératoire immédiate et à moins de 3°, 5° et 4° pour la correction postopératoire après deux ans. L’utilisation de l’outil de planification a permis de simuler différentes configurations du dispositif sans fusion pour un même patient (différentes tensions dans le câble et différents niveaux instrumentés). Lors de la comparaison des simulations des différentes configurations d'instrumentation pour chaque cas, les différences liées à la sélection du niveau instrumenté étaient de 7 ° en moyenne pour la correction postopératoire immédiate de l'angle Cobb thoracique et lombaire. Cette différence a été maintenue et augmentée suivant la simulation de la correction postopératoire après 2 ans, montrant une différence moyenne de 15 ° pour la correction des angles de Cobb. Pour certaines configurations simulées comprenant une ou deux vertèbres instrumentées sous la vertèbre limite inférieure de la courbe thoracique, celle-ci était inversée après 2 ans de croissance; de telles configurations ont été évidemment rejetées lors de la planification chirurgicale. L’exploitation du modèle par éléments finis a permis de fournir des recommandations au chirurgien afin de rationaliser la planification chirurgicale et d’identifier la configuration la plus adaptée pour chaque patient. La deuxième étude visait à exploiter le modèle par éléments finis afin d’évaluer les contributions relatives du positionnement intra-opératoire en décubitus latéral du patient et de la tension appliquée dans le câble sur la correction intra- et postopératoire. Il a été trouvé que la majorité de la correction de la déformation provenait du positionnement intra-opératoire du patient, avant l’installation du dispositif. Les angles de Cobb thoracique et lombaire simulés en décubitus latéral ont été réduits en moyenne de 30% et 18% respectivement par rapport à la déformation initiale. Les angles de Cobb simulés en décubitus latéral étaient précis à ±2° par rapport aux indices réels mesurés sur la radiographie intra-opératoire. Le rôle principal du câble était plutôt d’appliquer une correction supplémentaire, montrant une augmentation de la correction de l’angle de Cobb thoracique entre 9% et 21 %, maintenue suite au retour à la position debout simulée. L'augmentation de la tension dans le câble a permis de modifier significativement la répartition des charges en compression sur les plaques de croissance épiphysaire. Bien qu’une faible diminution des charges en compression a été induite du côté concave de la plaque de croissance vertébrale apicale, une augmentation significative des charges en compression a été induite du côté convexe, démontrant la capacité du dispositif Tether à rétablir la symétrie de distribution des contraintes sur les plaques de croissance. Cela a permis d’établir une relation entre la tension appliquée dans le câble et la correction intra-opératoire nécessaire pour équilibrer les chargements exercés aux plaques de croissance. La dernière étude a permis la mise en place d’un plan d’expériences visant à identifier les paramètres d’instrumentation du dispositif Tether ayant un effet significatif sur la correction 3D de la scoliose. Trois positionnements de vis (centré, antérieur et triangulaire) ainsi que 2 niveaux de tension (150N et 200N) ont été testés sur 10 cas scoliotiques, résultant en la simulation de 6 configurations par patient. L’augmentation de la tension dans le câble et le positionnement des vis ont eu un impact significatif sur l'angle de Cobb thoracique immédiat et après 2 ans de croissance (entre 5°-11°, p<0,01). Le positionnement antérieur des vis a permis d’augmenter significativement la cyphose après 2 ans de croissance (entre 6°-8°, p=0,02). Le positionnement triangulaire des vis n'a pas eu d'impact significatif sur la rotation axiale apicale, mais a engendré une diminution significative de la cyphose après deux ans de croissance (entre 8°-10 °, p=0,001). Les chargements en compression sur les plaques de croissance ont été augmentées de 23% sur le côté convexe de la courbe, en fonction de l’augmentation de la tension dans le câble, tandis que le positionnement des vis a plutôt affecté la distribution antérieure/postérieure des charges. Les résultats de cette étude montrent donc que les paramètres d’instrumentation du dispositif Tether peuvent être ajustés pour améliorer significativement la correction de la déformation dans le plan frontal (correction de l’angle de Cobb) et dans le plan sagittal (correction de l’hypocyphose), mais pas de manière significative dans le plan transverse. Complémentairement à l’évaluation de l’effet des paramètres d’instrumentation sur la correction 3D de la déformation, deux positions fonctionnelles postopératoires ont été simulées sur les modèles de ces 10 patients instrumentées avec le Tether dans le but d’évaluer l’impact de deux positions (debout et couchée) sur les chargements exercés sur les plaques de croissance. La position couchée a affecté de manière significative les distributions des pressions sur la vertèbre apicale par rapport à la position debout avec 72% des contraintes en compression étaient réparties sur le côté convexe de la vertèbre apicale en position couchée comparativement à 55% en position debout. En considérant le fait que les enfants pourraient présenter un taux de croissance nocturne plus élevé que le jour, ces résultats suggèrent que la modulation de croissance pourrait être favorisée la nuit, lorsque le patient est en position couchée. Le modèle est maintenant régulièrement employé au CHU Sainte-Justine afin de simuler préopératoirement chaque nouveau cas opéré. En plus des 20 patients présentés dans le cadre de la première étude, le modèle a été intégré en clinique et utilisé pour la planification chirurgicale de 45 patients supplémentaires. Plus récemment, l’outil a été intégré dans la salle d’opération, permettant ainsi la consultation peropératoire de la planification chirurgicale et des différentes configurations proposées. Pour un des cas opérés, la simulation numérique d’une configuration additionnelle a été réalisée durant la chirurgie afin de valider un choix d’instrumentation. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs avancées ont été accomplies, permettant ainsi de mieux comprendre le comportement biomécanique du dispositif Tether et d’intégrer ces connaissances, ainsi que l’utilisation de ce modèle biomécanique, dans le milieu clinique. Notamment, l’exploitation de ce modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique a permis de rationnaliser la planification chirurgicale. L’utilité clinique d’un tel outil a donc été démontrée et les prochaines étapes liées à ce projet pourront impliquer la mise en place de stratégies pour adapter davantage l’utilisation du modèle comme outil de planification et de vérification peropératoire. ----------ABSTRACT Pediatric idiopathic scoliosis is a spinal deformity affecting 2% to 3% of the population. This pathology presents different characteristics in all three planes including: a lateral deviation of vertebrae in the frontal plane, a modification of the curves in the sagittal plane (sometimes presented as a reduction of the physiological curves) and a vertebral rotation in the transverse plane whose consequence may include the generation of a rib hump. The Scoliosis Research Society (SRS) implemented a classification according to the age of the diagnosis: infantile scoliosis (0 to 3 years old), juvenile (4 to 10 years old) and adolescent (11 to 18 years old). Causes of scoliotic curvature apparition and progression are still unknown. Factors such as the skeletal maturity and curve characteristics may act as indicators to predict curve progression. Biomechanical factors, related to the Hueter-Volkmann's law, may also help to explain the scoliosis progressive nature. According to this principle, the scoliotic deformations result in the application of an asymmetric loading on vertebral epiphyseal growth plates, thus generating an asymmetrical growth of the vertebrae. This principle of growth modulation states that an increase in compression inhibits bone growth while a decrease in compression compared to normal loading stimulates it. This situation gives rise to a "vicious circle" of progression since vertebrae affected by the deformation are subjected to increasing asymmetric loadings, contributing to worsen the spinal deformation. For patients presenting a severe deformity (Cobb angle > 45°), a surgical treatment involving vertebral fusion may be considered. This type of surgery is invasive and implies an important and permanent spinal loss of flexibility. For pediatric patients presenting severe and progressive curves, fusionless surgical devices can be used to avoid or retard spinal arthrodesis. These fusionless devices use growth modulation, involving the Hueter-Volkmann law, to rebalance asymmetric loads applied on vertebrae, in order to control the curve progression while allowing growth. About 5% of pediatric patients diagnosed with scoliosis will need a surgical treatment. Surgical fusionless treatments can be separated in three distinctive approaches: distraction of the concave side of the curve, growth guided approach and compression on the convex side of the curve. Distraction and guided approaches present important limitations involving repetitive surgeries, a high rate of complications, and the fusion of vertebral segments. Compressive fusionless devices imply a minimally invasive approach not involving spinal fusion. A recent fusionless device called anterior vertebral body tethering or "Tether" involves the instrumentation of the convex side of the curvature by using vertebral implants and a flexible cable. The cable tensioning applies compressive forces on the convexity of the curve to modulate vertebral growth while preserving spinal flexibility. Although some clinical case studies have shown the possibility to gradually correct the scoliotic curve, there is a lack of information in the literature regarding the biomechanical behavior of the Tether. The surgical planning remains empirical regarding the identification of instrumented levels, the vertebral implants position and the tension applied in the cable. Limitations associated with the Tether are a progression or an over-correction (inversion of the side) of the curve over time, a lack of control on the 3D correction (sagittal plane and axial rotation) and a possible intervertebral disc degeneration if the applied compressive forces are too high. The general objective of this thesis was to further develop, verify, validate and exploit a finite element model of pediatric scoliosis integrating growth as a platform for surgical planning to maximize the short- and long-term 3D correction of the Tether. The first specific objective was to complete the development, to verify and to validate a numerical model representing the pediatric scoliotic spine biomechanical behavior, including the growth and the progression of the scoliotic curvature, as well as to simulate the immediate and after two years post-operative corrective effect the Tether. The second objective was to develop and assess a numerical surgical planning tool for fusionless devices to maximizing short- and long-term (2 years) 3D spinal correction of pediatric scoliosis. Finally, the third objective was to asses the effects of different surgical parameters on the 3D correction and forces distribution on the growth plates and intervertebral discs. This thesis sought to answer three hypotheses. 1) The developed finite element model of pediatric scoliosis integrating growth and growth modulation represents the biomechanical behavior of the pediatric spine and the growth modulation effect of fusionless devices (within ±5°: Cobb angles, kyphosis, lordosis and vertebral rotation, and ± 10%: of the spine length). 2) The simulated lateral decubitus patient positioning significantly impacts the intra- and post-operative correction (p-value <0.05, difference ≥ 5 °). 3) Intraoperative implants positioning and cable tensioning significantly impact the corrective forces applied to vertebral growth plates, and thus significantly impact the short- and long-term 3D correction of scoliotic curves (p-value<0.05, difference ≥ 5°). Three studies have been realized to meet the previously mentioned objectives. First, an osteoligamentous finite element model of the spine, rib-cage and pelvis representing the biomechanical behavior of the pediatric spine was developed. This patient-specific biomechanical model is obtained using bi-planar radiographs and the 3D reconstruction of the patient's skeleton. The mechanical properties of the intervertebral discs represented in the model can be calibrated to personalize the model flexibility to the patient. The growth and vertebral growth modulation have been integrated into the model, following the Hueter-Volkmann principle (the increase/reduction of compressive load on growth plates inhibits/stimulates vertebral growth). This model allows the simulation of the scoliotic curve natural progression. It also allows the simulation of the Tether installation, as well as the immediate and long-term correction generated with growth modulation. The first study exploited the model to develop an

Diverse approaches to scoliosis in young children

Management of scoliosis in young children needs a comprehensive approach because of its complexity. There are many debatable points; however, only serial casting, growing rods (including traditional and magnetically con trolled) and anterior vertebral body tethering will be discussed in this article. Serial casting is a time-gaining method for postponing surgical interventions in early onset scoliosis, despite the fact that it has some adverse effects which should be con sidered and discussed with the family beforehand. Use of growing rods is a growth-friendly surgical technique for the treatment of early onset spine deformity which allows chest growth and lung development. Magnetically controlled growing rods are effective in selected cases although they sometimes have a high number of unplanned revisions. Anterior vertebral body tethering seems to be a promising novel technique for the treatment of idiopathic scoliosis in immature cases. It provides substantial correction and continuous curve control while maintaining mobility between spinal segments. However, long-term results, adverse effects and their prevention should be clarified by future studies.Peer reviewe

A biomechanical analysis of growing rods used in the management of early onset scoliosis (EOS)

The use of dual growing rods is a fusionless surgical approach to the treatment of early onset scoliosis (EOS) which aims to harness potential growth in order to correct spinal deformity. This study compared through in-vitro experiments the biomechanical response of two different rod designs under axial rotation loading. The study showed that a new design of telescoping growing rod preserved the rotational flexibility of the spine in comparison with rigid rods indicating them to be a more physiological way to improve the spinal deformity

Conception et évaluation d’un prototype de modulation cyclique de la croissance des vertèbres pour le traitement de la scoliose idiopathique pédiatrique

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique pédiatrique affecte 2 à 3% de la population. Pour les patients présentant une courbure sévère (angle de Cobb > 45°), un traitement chirurgical est préconisé. La procédure consiste à redresser le rachis grâce à des tiges rigides puis à fusionner les vertèbres instrumentées afin de maintenir la correction. Cette fusion entraîne notamment une perte de mobilité du segment instrumenté et n’est pas idéale pour les patients en croissance. Des techniques chirurgicales ne nécessitant pas de fusion osseuse et fonctionnant par modulation de la croissance sont proposées pour les patients dont il reste un potentiel de croissance. Ces techniques se basent sur le principe de Hueter-Volkmann : une augmentation de la compression sur les plaques de croissance entraîne une réduction de la croissance et, inversement, une réduction de la compression stimule la croissance. La compression antérieure par câble est une de ces techniques chirurgicales de modulation de croissance qui consiste à comprimer le rachis unilatéralement. Une correction immédiate est générée lors de la chirurgie, et la croissance restante du rachis permet la poursuite de la correction progressivement au fil du temps. Des études expérimentales ont comparé l’impact sur le rachis d’une compression statique, telle que celle générée par le câble, par rapport à une compression cyclique. Il a alors été démontré qu’une compression cyclique avait une capacité à moduler la croissance similaire à celle d’une compression statique, mais avec une meilleure préservation des disques intervertébraux et des plaques de croissance. Dans cette thèse, il a été proposé de développer un système de compression cyclique du rachis par câble, d’en évaluer la faisabilité puis de quantifier les effets biomécaniques sur un modèle animal porcin, notamment en caractérisant expérimentalement la pression induite sur les plaques de croissance pour différentes tensions. Le prototype est composé d’un câble Bowden (gaine rigide axialement dans laquelle coulisse un câble) et d’une boite de contrôle contenant les composants mécatroniques pour la compression cyclique du rachis. La première extrémité du câble est fixée sur la vertèbre proximale grâce à une vis et peut glisser dans les têtes de vis sous-jacentes. Sa seconde extrémité est fixée à un moteur par l’entremise d’une poulie enroulant ou déroulant le câble.----------ABSTRACT Pediatric idiopathic scoliosis affects 2 to 3% of the population. Surgical treatment is recommended for patients with a severe curvature (Cobb angle > 45°). The procedure involves straightening the spine with rigid rods followed by a fusion of the instrumented vertebrae to maintain the correction. As a result, mobility of the instrumented segment is lost. This surgery is also not ideal for growing patients. Fusionless surgical techniques based on growth modulation are proposed for patients with a growth potential. These techniques are based on the Hueter-Volkmann principle: an increased compression of a growth plate leads to a growth rate reduction, and vice versa. Among these growth modulating surgical techniques, anterior vertebral body tethering (AVBT) consists in compressing the spine unilaterally. After an immediate post-op correction, the remaining growth of the spine carries on the correction progressively over time. Experimental studies have compared the impact of static compression on the spine, such as the one exerted by AVBT, compared to cyclic compression. It was shown that cyclic compression modulated growth similarly to static compression, but with an improved preservation of intervertebral discs and growth plates. In this thesis, it was first proposed to develop a prototype allowing cyclic compression of the spine with a tether. Secondly, both the feasibility and the biomechanical effects of the prototype on a porcine animal model were evaluated by experimentally characterizing the pressure induced on the growth plates for different tensions. The prototype consists of a Bowden cable assembly (axially rigid sheath in which a tether slides) and a control box containing the mechatronic components for the cyclic compression of the spine. The first end of the tether is attached to the proximal vertebra with a screw and can slide into the underlying screw heads. Its second end is attached to a motor through a pulley winding or unwinding the tether. The sheath is fixed between the distal vertebra and the control box. When the motor pulls on the tether, a tether tension is generated; with the sheath acting as a fulcrum, the entire instrumented segment is then compressed. The motor rotates alternately to cyclically compress the spine

Biomechanical Response of the Epiphyseal Vertebral Growth Plate under Static and Cyclic Compression: A Finite Element Study

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA), qui implique une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale, affecte 1 à 3% des adolescents, principalement des filles. Les influences mécaniques sur la croissance du rachis jouent un rôle important dans la progression de la courbure chez les patients SIA, notamment pendant les périodes de croissance rapide comme l’adolescence. Les traitements sans fusion du rachis, via la modulation mécanique locale de la croissance osseuse, ont montré des avancées prometteuses pour le traitement précoce des déformations modérées de la colonne vertébrale. Des études in vivo récentes sur les plaques de croissance de rats, utilisant des chargements statiques et dynamiques équivalents au niveau de la contrainte moyenne appliquée, ont montré que les chargements dynamiques étaient aussi efficaces que les chargements statiques en termes de modulation de croissance, mais moins dommageables pour l’intégrité de la plaque de croissance en comparaison aux chargements statiques [1, 2]. Cependant, il a été montré que la combinaison de hautes fréquences et d’amplitudes d’oscillations conduit à des inflammations tissulaires. Comme approche complémentaire à l’approche expérimentale pour investiguer la biomécanique du rachis, la modélisation numérique fournit une plateforme pour approfondir nos connaissances sur les structures du rachis et leurs comportements mécaniques [3]. En utilisant les simulations numériques, un paramètre peut aisément être modifié afin d’investiguer son effet spécifique en maintenant les autres paramètres constants. La modélisation par éléments finis constitue l’une des méthodes numériques couramment utilisées ; elle se base sur une méthode numérique rapide pour des analyses de contraintes et de déformations de problèmes complexes, en évitant les limites et difficultés associées aux études expérimentales. Bien que les modèles poroélastiques aient été développés pour investiguer la réponse dépendante du temps des tissus rachidiens, le comportement biomécanique comparatif de tissus cartilagineux, tels que les plaques de croissance sous chargements statiques vs. dynamiques, n’a pas encore été clairement déterminé [3, 4] et pourrait apporter des connaissances sur la compréhension de l’interaction entre les chargements mécaniques et le métabolisme tissulaire. L’objectif principal de ce projet était d’étudier la réponse biomécanique de la plaque de croissance soumise à des compressions statique et dynamique, en utilisant des modèles par éléments finis. Afin d’atteindre cet objectif, un modèle axisymétrique poroélastique de la plaque----------ABSTRACT Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a 3D deformity of the spine, affects 1-3% of adolescents, mainly females. Mechanical influences on spinal growth play an important role in AIS curve progression, mainly during the rapid growth periods such as adolescence. Fusionless corrective techniques of the spine, by means of local mechanical modulation of bone growth, have shown promising advances in the early treatment of moderate spinal deformities. Recent in vivo studies on rat growth plates using matched static and cyclic loadings in terms of average stress showed that cyclic loads were as efficient as static loads in terms of growth modulation but less detrimental to the growth plate integrity compared to static loads [1, 2]. However, it was shown that the combination of high frequency and oscillation amplitude resulted in infection in the rats. As a complementary approach to investigate spinal biomechanics from experiments, computational modeling provides a platform to extend our knowledge about spinal structures and their mechanical behavior [3]. Using computational modeling, one parameter can be changed easily to investigate its effect while the other parameters are kept constant. Finite element modeling is one of the widely used computational methods; it provides a fast numerical method for stress and strain analysis in complex problems, while avoiding limitations and difficulties associated with experimental studies. Although poroelastic models have been developed to investigate the time-dependent response of the spinal tissues, the comparative biomechanical behavior of cartilaginous tissues such as growth plates under static vs. cyclic loads has yet to be fully understood [3, 4] and could provide insights on understanding of the interaction of mechanical loading and tissue metabolism. The objective of this project was to study the biomechanical response of the growth plate to static and cyclic compressions using finite element models. To achieve this objective, an axisymmetric biphasic model of growth plate was first developed to investigate stress components and deformation within the model for different transversal permeabilities and peripheral pore pressures (part one). Then, a finite element model of a spinal functional unit was used to investigate the same parameters as well as fluid content using a more realistic model (part two). This thesis aimed at verifying the hypothesis that Cyclic and static compressive loads show the same total stress but different pore pressure (stress in fluid phase) and effective stress (stress in solid matrix) within growth plates

Analyse tridimensionnelle du rachis suite à une chirurgie de modulation de croissance chez les patients atteints de scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique adolescente (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui se développe durant la poussée de croissance. Une chirurgie est nécessaire pour corriger les déformations sévères. Les chirurgies conventionnelles sont invasives et consistent à fusionner les vertèbres. La chirurgie de modulation de croissance (CMC) est une chirurgie minimalement invasive sans fusion qui vise à corriger la scoliose. Ce mémoire présente les résultats de trois études portant sur la CMC. La première est une analyse tridimensionnelle du rachis immédiatement après la CMC. Dans cet article, nous concluons que la CMC offre une correction significative dans les plans coronal et transversal immédiatement après l'opération. Bien que la correction ait été obtenue par une méthode de compression antérieure, il n’y a eu aucun impact sur la cyphose du patient. La deuxième étude est une analyse tridimensionnelle du rachis avec un suivi de 2 ans pour évaluer l’impact de la croissance sur la correction de la scoliose. Cette étude a permis de confirmer que la correction se poursuit à un rythme d’environ 1° par niveau instrumenté durant la première année et atteint un plateau qui est maintenu à la visite à 2 ans. Les patients étaient satisfaits de la prise en charge malgré une diminution de la fonction. Nous avons aussi soulevé la nécessité de trouver un matériel plus robuste pour remplacer le câble utilisé. La dernière étude présente un modèle prédictif de la correction obtenue avec la chirurgie de modulation de croissance basé sur une technique d’apprentissage machine. L’objectif de ce modèle prédictif est d’aider les orthopédistes à choisir les meilleurs candidats pour la CMC. Nous concluons que la réduction postopératoire de l'angle de Cobb peut être prédite avec une précision de 5° près de l’angle Cobb au suivi à deux ans à partir des données radiologiques et cliniques préopératoires. Toutefois, d’autres études seront nécessaires avant de pouvoir incorporer ce modèle dans la pratique. Pour conclure, ce mémoire démontre le rôle clair de la CMC dans la prise en charge de la scoliose idiopathique, en plus d’introduire un modèle prédictif qui vise à devenir un outil important dans la prise de décision clinique.Adolescent idiopathic scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine. It usually develops during the adolescent growth spurt. A surgical intervention is needed to correct severe curves to prevent long-term progression of the deformity. Conventional surgeries are invasive and involves fusion of the spine thus limiting mobility and growth of the spine. Anterior Vertebral Body Growth Modulation (AVBGM) is a fusionless surgery that aims to progressively correct scoliosis by modulating the remaining vertebral growth. The results of three studies on AVBGM are presented in this thesis. In the first study, a three-dimensional analysis of the spine immediately after AVBGM surgery is presented. We conclude that AVBGM offers a significant correction in the coronal and transverse planes immediately post-op. Although the correction was achieved through an anterior compression approach, there was no impact on the kyphosis of the patient. The second study is a threedimensional analysis of the spine at 2-year follow-up to evaluate the impact of growth on the correction of the spine. This study confirmed that the rate of correction is of about 1 ° per instrumented level during the first year and the correction is then maintained at 2 years. Patients were satisfied with their management despite a decrease in function. We also demonstrate a need for a stronger cable as multiple broken cables were suspected. The last study presents a predictive model of the correction obtained by AVBGM based on a machine learning algorithm. We aim to create a tool which will assist orthopedists in their choice of candidates for the ABVGM. We concluded that postoperative reduction of the Cobb angle following AVBGM can be predicted by training a data-driven model, combining preoperative anatomical and patient data with known postoperative outcomes. To conclude, this thesis demonstrates the clear role of AVBGM in the management of idiopathic scoliosis, and also introduces a predictive model which aims to be a future tool in decision-making regarding the selection of candidates for AVBGM