Utilization of Finite Element Analysis Techniques for Adolescent Idiopathic Scoliosis Surgical Planning

Adolescent Idiopathic Scoliosis, a three-dimensional deformity of the thoracolumbar spine, affects approximately 1-3% of patients ages 10-18. Surgical correction and treatment of the spinal column is a costly and high-risk task that is consistently complicated by factors such as patient-specific spinal deformities, curve flexibility, and surgeon experience. The following dissertation utilizes finite element analysis to develop a cost-effective, building-block approach by which surgical procedures and kinematic evaluations may be investigated. All studies conducted are based off a volumetric, thoracolumbar finite element (FE) model developed from computer-aided design (CAD) anatomy whose components are kinematically validated with in-vitro data. Spinal ligament stiffness properties derived from the literature are compared for kinematic assessment of a thoracic functional spinal unit (FSU) and benchmarked with available in-vitro kinematic data. Once ligament stiffness properties were selected, load sharing among soft tissues (e.g., ligaments and intervertebral disc) within the same FSU is then assessed during individual steps of a posterior correction procedure commonly used on scoliosis patients. Finally, the entire thoracolumbar spine is utilized to mechanically induce a mild scoliosis profile through an iterative preload and growth procedure described by the Hueter-Volkmann law. The mild scoliosis model is then kinematically compared with an asymptomatic counterpart. The thoracic deformation exhibited in the mild scoliosis model compared well with available CT datasets. Key findings of the studies confirm the importance of appropriately assigning spinal ligament properties with traditional toe and linear stiffness regimes to properly characterize thoracic spine FE models. Stiffness properties assigned within spinal FE models may also alter how intact ligaments and intervertebral discs respond to external loads during posterior correction procedures involving serial ligament removal, and thus can affect any desired post-surgical outcomes. Lastly, the thoracolumbar spine containing mild scoliosis experiences up to a 37% reduction in global range of motion compared to an asymptomatic spine, while also exhibiting larger decreases in segmental axial rotations at apical deformity levels. Future studies will address kinematic behavior of a severe scoliosis deformity and set the stage for column-based osseoligamentous load sharing assessments during surgical procedures

Development Of A Finite Element Pelvis And Lower Extremity Model With Growth Plates For Pediatric Pedestrian Protection

Finite element (FE) model is a useful tool frequently used for investigating the injury mechanisms and designing protection countermeasures. At present, no 10 years old (YO) pedestrian FE model has been developed from appropriate anthropometries and validated against limitedly available impact response data. A 10 YO child FE pelvis and lower extremities (PLEX) model was established to fill the gap of lacking such models in this age group. The baseline model was validated against available pediatric postmortem human subjects (PMHS) test data and additional scaled adult data, then the PLEX model was integrated to build a whole-body FE model representing a 10 YO pedestrian. Additional investigations revealed that the immature tissues, growth plates (GPs), should be explicitly modeled because they have different mechanical properties than the surrounding bones. Epidemiological data revealed that GP accounted for a large portion of pediatric fractures. To investigate the GP’s material property for further advancement of the baseline PLEX FE model for simulating impact mechanical responses, a series of tensile and shearing experiments on porcine bone-GP-bone units were carried out. The GPs from the femoral head, distal femur, and proximal tibia of 20-weeks-old piglets were tested, under different strain rates. Randomized block ANOVA was conducted to determine the effects of anatomic region and strain rate on the material properties of GPs. By comparing the porcine experimental data to the limited data obtained from tests on human subjects reported in the literature, an optimal conversion factor was derived to correlate the material properties of 20-week-old piglet GPs and 10 YO child GPs. A transversely isotropic hyperelastic material model (MAT_92 available in LS-DYNA) with added viscosity was adopted to mimic the GP tissues. After a series of optimization procedures, the material parameter sets needed for MAT_92 were determined to represent the GPs of a 10 YO child. To further explore the GP modeling techniques, a sub-model representing the proximal femur was extracted from the PLEX model. The femoral head GP in the sub-model was modeled using the geometry from CT scans and the material properties from early optimizations. FE simulations of femoral head shearing were conducted on the sub-model to determine other GP modeling settings. In the following technical application, similar GP modeling techniques were implemented to model the GPs at the hip and knee regions to update the baseline PLEX model, and further the whole-body model. An SUV-to-pedestrian impact scenario was simulated using the updated whole-body model, the remarkable influences of the GPs on the stress distributions in the PLEX were quantitatively assessed

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

Étude biomécanique des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives : influence des propriétés ligamentaires

Le rachis est une structure ostéo-disco-ligamentaire complexe jouant un rôle majeur dans la stabilité et la mobilité du corps humain. Dans certaines conditions, des blessures traumatiques ou de fatigue peuvent survenir. Ces blessures peuvent être bénignes, à l’origine de douleurs, invalidantes ou encore mortelles. Les blessures rachidiennes traumatiques incluent des fractures osseuses, des lésions ligamentaires et du disque intervertébral ainsi que des atteintes de la moelle épinière et des racines nerveuses. Les causes principales sont les accidents de véhicules, les chutes à faible ou haute énergie et la pratique sportive. Chaque année, plus de 700 000 nouveaux traumas rachidiens sont comptabilisés au niveau mondial. Les blessures de fatigue, résultant d’une sur-sollicitation des structures vertébrales, sont fréquentes dans le domaine sportif. La spondylolyse est la blessure la plus commune parmi les blessures de fatigue dues au sport, notamment chez les adolescents. Dans ce cas, le rôle des chargements dynamiques, liés à la pratique sportive, est supposé prédominant dans l’étiologie de la blessure. Qu’ils s’agissent de blessures traumatiques ou de fatigue, des facteurs extrinsèques (type, direction et vitesse de chargement) et intrinsèques (morphologie, propriétés mécaniques et biologiques des structures vertébrales, ainsi que la posture) peuvent expliquer l’étiopathogénèse, les mécanismes, les patrons de blessures et les risques de progression. Les facteurs extrinsèques définissent les conditions extérieures; leur étude permet donc de définir les conditions à risque, à éviter et/ou limiter. Les facteurs intrinsèques, propres au sujet, sont conditionnés par de nombreux facteurs biologiques et environnementaux (l’âge, le sexe, l’ethnie); leur étude permet de tenir compte de la variabilité humaine pour vérifier la généralisation des conditions à risque ou, à l’inverse, spécifier les recommandations pour une population donnée, voire un individu. Les études portant sur les risques de blessures du rachis lombaire se sont majoritairement intéressées à des mécanismes en compression et à des sollicitations quasi-statiques, laissant des lacunes dans la compréhension des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives. Particulièrement, à l’instar des ligaments cervicaux, peu de travaux ont étudié le comportement des ligaments lombaires en condition dynamique. Cela limite les connaissances des mécanismes de rupture ligamentaire et l’exploitation des modèles pour l’étude des lésions traumatiques. De plus, les conditions traumatiques générant une flexion du rachis lombaire sont peu étudiées. Ces conditions sollicitent les éléments postérieurs du rachis et peuvent, en cas de déplacement et/ou rupture du complexe ligamentaire postérieur et de dislocation, avoir des conséquences cliniques critiques. Le manque de critères lésionnels du rachis lombaire soumis à des chargements complexes limite le développement et l’évaluation de dispositifs ou mesures de sécurité et la compréhension des mécanismes lésionnels. Enfin, l’identification des pathomécanismes de la spondylolyse est incomplète car les études réalisées ne prennent pas en compte la morphologie et la posture des patients et étudient des mouvements quasi-statiques isolés et de faible amplitude. Pour pallier ces limites, l’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension des mécanismes de blessures du rachis lombaire dans des conditions traumatiques et sportives en tenant compte des facteurs intrinsèques (posture, propriétés mécaniques des ligaments) et extrinsèques (conditions de chargement). Dans cette thèse, les trois hypothèses de recherche suivantes ont été testées : H1 : Le taux de chargement et la présence de dégénérescence rachidienne influencent le comportement mécanique (raideur) et les mécanismes à la base des lésions des ligaments (déplacement et force à la rupture, profil de rupture) du rachis lombaire et thoracique. H2 : La variabilité (inter et intra-individu) des propriétés mécaniques des ligaments influence la mobilité (ROM) et la vulnérabilité (contraintes internes) du rachis en conditions traumatiques et sportives. H3 : Les facteurs liés à la mise en charge du rachis (direction, amplitude) et la posture du patient influencent le risque de spondylolyse (distribution de contraintes dans le pars) chez les adolescents sportifs. Pour tester ces hypothèses, la thèse comprend un volet expérimental et un volet numérique. Le volet expérimental décrit la caractérisation des ligaments du rachis thoracique et lombaire humain en traction uni-axiale. Le volet numérique porte sur l’analyse par éléments finis des pathomécanismes du rachis lombaire. Pour cela, le modèle SM2S, Spine Model for Safety and Surgery, développé conjointement par le laboratoire de Biomécanique Appliquée (Université Aix-Marseille et IFSTTAR), Polytechnique Montréal et l’École de technologie supérieure a été exploité. Ce modèle détaillé, tant au niveau de la géométrie que des propriétés mécaniques, permet l’étude des lésions du rachis en condition dynamique. Pour tester la première hypothèse, 45 ligaments rachidiens (14 ligaments longitudinaux antérieurs, ALL ; 20 ligaments longitudinaux postérieurs, PLL ; 9 ligaments jaunes, LF ; et 2 complexes comprenant le ligament inter-épineux et supra-épineux, ISL-SSL) ont été prélevés avec les extrémités osseuses formant l’enthèse sur six sujets (4 hommes et 2 femmes, [76-96] ans) au Laboratoire de biomécanique appliquée de l’Université Aix-Marseille. Avant les essais, les échantillons ont été scannés à l’aide d’un CT-scan (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) pour mesurer la longueur initiale des ligaments et évaluer la présence de becs ostéophytiques et les extrémités osseuses ont été mises en résine. Un protocole d’essai, comprenant une phase de pré-conditionement, deux cycles de traction uni-axiale en dynamique lente (0.005 m/s) jusqu’à 15% de déformation et une traction uni-axiale en dynamique rapide (1 m/s ou 0.5 m/s) jusqu’à la rupture, a été réalisé à l’aide d’un vérin hydraulique commandé en déplacement. 45 courbes force-déplacement ont été obtenues pour les cycles de traction en dynamique lente et 17 pour les tractions en dynamique rapide. Les raideurs des ligaments ALL, PLL et LF mesurées lors des tractions en dynamique rapide étaient respectivement 1.9, 5.7 et 4.4 fois plus élevées que lors des tractions en dynamique lente. Pour un même sujet, l’échantillon présentant un ostéophyte de grade 4 (pont ossifiant joignant les deux vertèbres) avait une raideur respectivement 3.9 fois et 6.3 fois plus élevée en condition dynamique lente et rapide par rapport à l’échantillon présentant un ostéophyte de grade 2 (protrusion vertébrale projetée verticalement). Ces échantillons présentaient le même mécanisme de rupture (délamination + avulsion osseuse). La force à la rupture et la déformation à la rupture mesurées pour l’échantillon de grade 4 étaient respectivement 1.6 et 5 fois moins élevées par rapport à l’échantillon présentant un ostéophyte de grade 2. Ces résultats confirment l’augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire en condition dynamique rapide et suggère une diminution des propriétés à la rupture en présence de becs ostéophytiques lorsque le grade de dégénérescence augmente. En conditions traumatiques, l’exploitation du modèle SM2S a permis de mettre en évidence l’effet de la vitesse d’impact, pouvant survenir lors d’un choc frontal, sur les mécanismes de blessures et sur le patron de blessure en résultant. Trois vitesses d’impact (i.e. 2.7, 5 et 10 m/s) ont été simulées sur un segment L1-L3 du modèle SM2S afin de représenter des conditions traumatiques générant une combinaison d’effort en cisaillement et de moment de flexion. Pour chaque vitesse d’impact, 27 jeux de propriétés ligamentaires ont été testés. Pour les vitesses d’impact les plus faibles, l’initiation de la blessure se produisaient en compression dans la partie antérieure du corps vertébral. A l’inverse, l’impact à haute vitesse causait une blessure en distraction pure avec des efforts en compression faible. Dans ce cas, l’étendue de rupture dans le corps vertébral était moindre (718 mm³) mais le déplacement antérieur de la vertèbre L2 (7.72 mm) et la fréquence de fracture des facettes (16/27) étaient plus élevés que pour la vitesse la plus faible (1140 mm³, 2.09 mm et 2/27 respectivement). Les propriétés des ligaments n’impactaient pas l’initiation de la blessure mais une augmentation de la rigidité du rachis était associée à une augmentation du risque de fractures des facettes. Pour des chargements dynamiques combinés, l’analyse par éléments finis nous a permis de mettre en évidence la dangerosité des mouvements de flexion associés à des efforts en compression. En particulier, les efforts en compression dynamique étaient le facteur le plus important sur les contraintes et efforts internes. L’ajout d’une compression dynamique augmentait de 8.5, 12.4, 1.6 et 13.2 les forces en cisaillement dans le disque L5-S1, les forces de contact au facettes L5-S1, la contrainte maximale dans le pars et le volume d’os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture. De plus, les résultats ont montré une influence des paramètres sacro-pelviens sur le niveau de contraintes dans le pars. La contrainte maximale et le volume d’os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture étaient respectivement 17% et 2.5 fois plus élevés pour le cas ayant la pente sacrée la plus élevée (59°) comparativement au cas présentant une pente sacrée de 32°. Cela suggère une augmentation du risque de spondylolyse pour les patients présentant une pente sacrée élevée pour une même activité et corrobore les observations cliniques. Ce projet doctoral a mis en évidence l’influence des propriétés mécaniques des ligaments et des paramètres liés à la posture sur les seuils et les patrons de blessures du rachis lombaire. Les résultats expérimentaux confirment une augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire pour des taux de chargement élevé. De plus, le déplacement et la force à la rupture en traction tendent à diminuer avec le grade de dégénérescence. Ces résultats constituent, en outre, une base pour le développement et la vérification de modèles spécifiques représentant une population âgée pour l’étude des traumatismes rachidiens. Pour cela, des résultats supplémentaires en traction uni-axiale ainsi que des essais complémentaires en mobilité seraient nécessaires. En condition traumatique, le modèle permet de prédire le patron de rupture, notamment la rupture du complexe ligamentaire postérieur et, est en ce sens, un outil de prévention et d’aide au diagnostic utile pour les traumas rachidiens. La vitesse d’impact modifie le profil de rupture observée et l’augmentation de la raideur des ligaments augmente le risque de fracture des facettes. Pour faire suite à ce projet, différentes conditions de chargement pourraient être testées pour trois modèles présentant des flexibilités différentes. Pour l’étude de la spondylolyse, les mouvements combinés de flexion et de compression dynamiques provoquent des contraintes élevés dans le pars. De plus, la posture du patient modifie les efforts en cisaillement à la jonction lombo-sacrée et doit être prise en compte dans l’évaluation de la dangerosité des mouvements. L’étude de chargements personnalisés et spécifiques à certains sports permettrait de guider les recommandations de sécurité spécifiques à ces sports.----------ABSTRACT The spine is an osteo-disco-ligamentous structure playing a major role in the human body’s stability and mobility. In some conditions, traumatic or stress injuries may happen. These injuries may be benign, painful, disabling, or even deadly. Traumatic injuries include bone fractures, ligamentous or intervertebral disc injuries, and/or damage to neurologic structures (spinal cord and nerve roots). These injuries mainly result from low-energy falls or high-energy trauma, particularly traffic (26.5%) or sports accidents (5.2%), and high-energy falls (39%). Each year, more than 700,000 new traumatic injuries are diagnosed worldwide. Stress injuries result from overuse of spinal structures because of repetitive movements and sport practice is a common cause. The spondylolysis is the most common stress injuries due to sport activities, particularly in adolescents. The spinal dynamic loadings experienced when practicing sports are thought to be a predominant factor in the etiology of this injury. Extrinsic and intrinsic factors play a role in the etiology, pathomechanisms, injury pattern and risk of progression of traumatic and stress injuries. Extrinsic factors (type, direction and speed of loading) are relative to loading conditions and must be tested to define movements to avoid or to limit to prevent the risks of spinal injuries. Intrinsic factors (morphology, mechanical and biological properties of spinal components as well as the posture) are subject-dependent. These factors represent the human variability and are evaluated to define generalized preventive guidelines or, on the contrary, to establish safety guidelines for specific population or even specific individuals. Research on the lumbar injuries risk has mainly focused on compressive mechanisms and quasi-static loading conditions. This limits the understanding of the lumbar pathomechanisms in traumatic and sport-related conditions where the spine is submitted to complex dynamic loads. Particularly, conversely to cervical ligament, few studies described the mechanical behavior of the lumbar ligaments in dynamic conditions, limiting the understanding of ligamentous failure and the use of numerical models to study spinal lesions in this region. Moreover, traumatic conditions generating a flexion of the lumbar spine are poorly described and studied. These conditions mainly affect the posterior elements of the spine (articular facets and posterior ligamentous complex) and may lead to critical clinical outcomes in case of posterior ligamentous complex injuries and dislocation. In this context, more studies on the lumbar spine submitted to complex dynamic loading conditions are needed to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms and the development and evaluation of safety guidelines and devices. In order to address these limitations, the objective of this thesis was to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms in traumatic and sport-related conditions taking into account intrinsic (posture, ligament mechanical properties) and extrinsic factors (loading conditions). In this project, the three following research hypotheses were tested: H1: The strain rate and the presence of spinal degenerative process modify the mechanical behavior (stiffness) and the injury mechanisms (failure force and displacement, and injury pattern) of the thoracic and lumbar ligaments. H2: The ligament mechanical properties variability (inter and intra subject) modify the range of motion (ROM) and the vulnerability (internal stress, failure thresholds, failure pattern) of the spine in traumatic and sport-relative loading conditions H3: Extrinsic factors (loading direction and level) and patient posture affect the risk of spondylolysis (stress distribution in the pars) in adolescent athletes. To test these hypotheses, experiments on cadaveric ligaments and numerical simulations on a detailed finite element model of the spine were performed. The experimental part deals with the lumbar and thoracic ligament characterization under uni-axial dynamic tensile tests. The numerical part was performed to assess the pathomechanisms of the lumbar spine in traumatic and sport-related conditions. In this section, the SM2S model, Spine Model for Safety and Surgery, jointly developed by the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University, Polytechnique Montréal and École de technologie supérieure was used. This finite element model includes a detailed geometric and material behavior description of the spinal component and was developed to study spinal injuries in dynamic conditions. To test the first research hypothesis, 45 spinal ligaments (14 anterior longitudinal ligaments, ALL ; 20 posterior longitudinal ligaments, PLL, 9 ligamentum flavum, LF ; 2 interspinous and supraspinous ligamentous complex, ISL-SSL) with bony extremities that formed the entheses were harvested from 6 cadaveric subjects (4 men, 2 women, [76-96] years) at the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University. Before testing, samples were scanned with a CT-scanner (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) to measure the initial length of ligaments (distance between superior and inferior entheses) and to evaluate the presence of osteophytes. After imaging, the bony ends were put into resin to provide a mean of fixation. A test protocol was performed with a servo-hydraulic test system. The protocol included a preconditioning, 2 cycles of uni-axial tensile test at a slow dynamic displacement rate (0.005 m/s) until 15% of strain and one uni-axial tensile test at a high dynamic displacement rate (0.5 – 1 m/s) up to failure. Forty-five force-displacement curves were obtained for uni-axial tensile tests at the slow dynamic displacement rate and 17 for tensile tests at the high dynamic displacement rate. Stiffness of ALL, PLL and LF were 1.9, 5.7 and 4.4 times higher at the high dynamic displacement rate compared to the slow dynamic one. For the same subject, ALL specimen with a grade 4 osteophyte (i.e. adjacent vertebrae were fused together by a bony bridge) had a stiffness 3.9 and 6.3 times higher at high and slow dynamic displacement rate respectively compared to ALL specimen with a grade 2 osteophyte (bony protrusion visible at the margins of the endplates). The pattern of failure was a combination of delamination and bony avulsion for both of these specimens. The force and displacement at failure measured for the specimen with a grade 4 osteophyte were 1.6 and 5 times lower respectively compared to the ones measured for the specimen with a grade 2 osteophyte. These results confirm the increase of the stiffness of the thoracic and lumbar ligaments with an increase of the strain rate and suggest a decrease of the failure properties for an increasing degenerated state under uni-axial tensile test. Under dynamic conditions, the numerical simulations highlighted the effect of the impact velocity, which may happen during frontal impacts, on the injury mechanisms and pattern. A L1-L3 segment was subjected to three different impact velocities (i.e. 2.7, 5, 10 m/s) to evaluate the lumbar behavior under complex loading conditions combining flexion and shear. For each impact velocity, 27 sets of ligament properties were implemented and tested. For low and medium impact velocities, initial osseous injury happened under compressive forces in the anterior column whereas high dynamic impact caused a pure distraction injury with very low compressive stresses in the segment. Less volume of ruptured bone, higher anterior displacement and higher occurrence of facet fracture were observed for high impact velocity (718 mm³, 7.72 mm and 16/27) compared to the ones measured for the lowest impact velocities (1140 mm³, 2.09 mm and 2/27 respectively). The ligament properties did not influence the injury initiation location but an increase of the spine stiffness was associated with a higher occurrence of facet fracture. The finite element analysis highlighted the high level of stress in the pars for dynamic flexion combined with compression. For all movements (flexion, extension with or without inflexion and rotation), additional dynamic compressive forces led to 8.5, 12.4, 1.6 and 13.2 times higher shear forces in the L5-S1 intervertebral disc, L5-S1 facet contact force, maximal stress in the pars and volume of stressed bone (>75% of the failure stress). Moreover, sacro-pelvic parameters influenced the level of stress in the pars. The maximal stress and the volume of stressed bone were 17% and 2.5 times higher for the case with the higher SS (59°) compared to the case with the lowest one (32°). These results suggest an increase of the risk of spondylolysis for patient presenting a high sacral slope and pelvic incidence and corroborate clinical observations. This project highlighted the influence of the ligament mechanical properties and postural parameters on the lumbar injury threshold, mechanisms and patterns. The experimental results confirm the increase of stiffness for thoracic and lumbar ligaments at high displacement rates, as it was previously shown for cervical ligaments. Moreover, force and displacement at failure tend to decrease with the increasing grade of osteophytes. These results may be used for the development and verification of a specific model for aging population to study spinal trauma. For this purpose, additional results under uni-axial tensile test and complementary results under mobility tests would be needed. In traumatic conditions, the model predicted the bone fracture and the failure of the posterior ligamentous complex. These predictions were valuable to help injury prevention and clinical management. The impact velocities modified the injury initiation and pattern and the increase of the spinal stiffness led to higher occurrence of facet fracture. Further finite element analyses may be done to test different loading scenarios for three models according to the global spine stiffness. Combined movements of flexion and dynamic compression led to high stresses in the pars. Moreover, the patient-specifi

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