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