Virtual reduction of complex fractures of the pelvis using the first patient-specific biomechanical simulation

Abstract

The aim of this work was to develop and validate a new pre-operative planning in acetabular surgery based on a patient-specific biomechal model. During the first part of this work we brought enhancement in each step of the planning process for acetabular fracture surgery. The first step was to generate 3D models of several acetabular fracture patterns using semi-automatic segmentation methods. In the same time, we showed that the segmented fragments bone could be usefull to correctly classify acetabular fracture by unexperimented residents. The second step was to generate a patient-specific model, in a very simple way, that could be used in clinical practice by surgeons. A literature review of acetabular planning models was performed to identify that a new paradigm was required because of the limitations of the existing models. Once the objectives of patient-specific modelling was identified, a literature review of hips models was performed to record biomechanical properties of the elements that we had to modelize. A compromise between simplicity and realistic behaviour was found to generate patient-specifics biomechanical models, in a limited time, that could be used in clinical practice. Clinical studies on 14 operated cases, then 29 operated cases and finally 39 operated cases, were performed to validate retrospectively the simulations. The results were quite promising. Only open-source softwares with their own weaknesses were used because validity and feasability of the procedure was required before bigger investissment. The proof of concept was done. A prospective clinical study has shown the efficiency of the patient-specific biomechanical simulation and its feasibility in a daily clinical practice. This work opens a door for new approaches in surgical planning and patient-specific modelling.L’objectif de cette thèse est de développer et valider une nouvelle méthode de planification pré-opératoire en chirurgie traumatique de l’acetabulum reposant sur un modèle biomécanique patient-spécifique. La première partie de ce travail a consisté en l’élaboration et l’amélioration progressive de ce nouvel outil de planification. La première étape était de générer des modèles tri-dimensionnels de plusieurs fractures acétabulaires à l’aide d’une méthode de segmentation semi-automatique. Dans le même temps, nous avons démontré que les fragments osseux segmentés pouvaient être utile pour classer correctement les fractures acétabulaires par des internes non expérimentés. La seconde étape était de générer un modèle biomécanique patient-spécifique, le plus simplement possible pour pouvoir être compatible avec une pratique clinique régulière. Une revue de la littérature à propos des différentes méthodes de planifications péri-opératoire en traumatologie de l’acetabulum a été réalisée afin d’identifier qu’un nouveau paradigme était nécessaire du fait des limites des méthodes existantes. Une fois les objectifs d’une modélisation biomécanique patient-spécifique définis, une revue de la littérature des différents modèles biomécanique de la hanche a été réalisée pour définir les propriétés biomécaniques des différents éléments à modéliser. Un compromis entre simplicité et comportement réaliste du modèle a été trouvé pour générer un modèle biomécanique patient-spécifique, dans un temps limité, compatible avec une utilisation courante en pratique clinique. Des études cliniques portant sur 14 cas de fractures acétabulaires opérées, puis 29 et finalement 39 cas ont été réalisées pour valider rétrospectivement les simulations biomécaniques. Les résultats montraient une parfaite adéquation avec la réalité. Seuls des logiciels en libre accès, avec leurs faiblesses, étaient utilisés car la fiabilité et la validité de la simulation étaient nécessaires avant d’envisager plus d’investissements. La preuve de concept était donnée. Enfin, une étude clinique prospective a démontré l’efficacité de la simulation biomécanique patient-spécifique et sa faisabilité en pratique clinique quotidienne. Ce travail ouvre la porte à de nouvelles approches en matière de planification chirurgicale et de modélisation patient-spécifique