Simulation en éléments-finis de différentes stratégies chirurgicales de correction d'une scoliose

par Yoann Lafon-Jalby

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de Wafa Skalli.

Soutenue en 2006

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    La simulation numérique de correction chirurgicale de la scoliose peut apporter une aide précieuse à la planification d’une stratégie optimale pour un patient donné. Au cours des études précédentes menées au Laboratoire de Biomécanique, un premier modèle a été développé, et la faisabilité d’une telle simulation numérique personnalisée de chirurgie a été démontrée. Toutefois, l’extrême complexité et l’opérateurdépendance de ce modèle représentent un frein à son utilisation dans un cadre clinique. L’objectif de notre travail est, d’une part, de reprendre cette modélisation afin d’en améliorer deux éléments clefs pour une future utilisation clinique : l’automatisation de la personnalisation des propriétés mécaniques, et la robustesse (stabilité numérique et opérateur-indépendance) de la simulation de chirurgie. D’autre part, la modélisation de différents cas cliniques vise à évaluer la pertinence du modèle, et à mieux comprendre les mécanismes de correction. L’identification des propriétés mécaniques du rachis à partir de données in vivo (test clinique d’inclinaison latérale ou « bending »), a été automatisée en développant un algorithme d’optimisation guidée par de la connaissance a priori. La précision de cet outil a été évaluée sur des données in vivo issues des dossiers de trente patients scoliotiques. La simulation de chirurgie de correction de la scoliose a été rendue stable et opérateur-indépendante pour deux techniques différentes : par rotation de tige - instrumentation Cotrel- Dubousset ou CD - et par cintrage in situ ou CIS. En particulier, un algorithme spécifique définit et simule les séquences de cintrage in situ en accord avec l’expertise clinique. La cohérence de la simulation de chirurgie a été évaluée, tant au regard des données post-opératoires in vivo (issues des dossiers de vingt et dix patients scoliotiques pour les chirurgies respectives CD et CIS) que des mouvements vertébraux en per-opératoire (à partir de la littérature). Enfin, de multiples alternatives chirurgicales ont été envisagées, et différents concepts de correction ont été analysés sur le plan biomécanique. Notre travail ouvre des perspectives concrètes vers une utilisation en clinique de l’outil de simulation numérique personnalisée de chirurgie pour aider à la compréhension des mécanismes de correction, voire à la planification du geste chirurgical.

  • Titre traduit

    Finite element simulation of various strategies for scoliosis surgical correction


  • Résumé

    The numerical simulation for the scoliosis surgical correction could be helpful in establishing the best surgical planning for a given patient. Previous research at the Laboratoire de Biomécanique yielded a preliminary finite-element model, and demonstrated the feasibility of a patient-specific simulation. However its extreme tediousness and its lack of self-reliance made it difficult to be used in a clinical environment. The objective of our work is to take over this finite-element model, in order: first, to improve two key-parameters, i. E. Automation for the assessment of patient-specific mechanical properties, and robustness (numerical stability and self-reliance) for the simulation of surgery. Second, to model various clinical cases in order to evaluate the clinical relevance of the model and to better understand mechanisms of correction. The mechanical properties identification of the spine, from in vivo data (clinical lateral bending test), was automated thanks to an optimization method driven by a priori knowledge. The precision of this tool has been estimated according to in vivo data from the clinical records of thirty scoliotic patients. A stable and user-free simulation was built for the scoliosis surgical correction for two different techniques: by the rod rotation - Cotrel-Dubousset (CD) instrumentation - and by in situ bending (CIS). In particular, a specific algorithm defines and simulates the sequences of in situ bendings in agreement with the clinical expertise. The biomechanical coherence of the surgery simulation was estimated, according to the post-operative in vivo data (from the clinical records of twenty and ten scoliotic patients operated respectively by the CD and CIS surgeries), and to the clinical literature for the per-operative surgical steps. Finally, several surgical alternatives were evaluated, and various concepts of correction were analyzed from a biomechanical point of view. Our work on the personalized surgery simulation provides promising prospects for the future: such a clinical tool could help surgeon in understanding the mechanisms of correction, and in performing his pre-operative surgical planning.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (160 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.

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