Étude biomécanique d’une suspension implantable pour la préservation des disques intervertébraux dans le traitement des scolioses infantiles

par Margot Odet

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de Michel Massenzio, Yoann Lafon-Jalby et de Sylvie Ronel.

Soutenue le 30-08-2016

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (Villeurbanne) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Haumont.

Le jury était composé de Michel Massenzio, Yoann Lafon-Jalby, Sylvie Ronel, Eric Viguier.

Les rapporteurs étaient Patrick Chabrand, Pierre Vacher.


  • Résumé

    La scoliose infantile est une déformation rachidienne évolutive survenant chez l'enfant de moins de 3 ans. La technique de correction la plus répandue actuellement est celle des « tiges de croissance ». Cependant, la rigidité du matériel provoque la dégénérescence des disques intervertébraux, ce qui di-minue l'efficacité du traitement. Des études récentes ont montré l'effet bénéfique d'implants flexibles sur les disques. Notre équipe a donc développé le concept d'une suspension implantable qui permet de garder la mobilité axiale des segments instrumentés, associé à un nouveau système de fixation rotulée. Cepen-dant, quelle valeur de raideur permet de préserver les disques tout en corrigeant efficacement la sco-liose ? Cette thèse a donc pour objectifs de démontrer l'intérêt d'une suspension pour les disques inter-vertébraux et d'obtenir des informations quantifiables sur la valeur optimale de raideur. Pour cela des prototypes de suspension avec fixation rotulée, implantables chez le mammifère quadrupède et l'Homme, ont été développés afin d'étudier in vivo et in silico plusieurs gammes de flexibilité. Une étude in vivo sur chèvres adultes saines a été menée pour tester ces prototypes pour 2 raideurs différentes. L'état des disques intervertébraux après 6 mois a été évalué par IRM et par coupes histologiques. En parallèle la biomécanique d'un rachis humain sain puis scoliotique, instrumenté avec différents disposi-tifs (tiges classiques, suspensions, avec ou sans rotules), a été étudiée avec un modèle numérique mul-ti-corps rigides, préalablement validé par comparaison avec des données in vitro de la littérature. Les résultats de l'étude in vivo n'ont pas montré de différence significative entre les différentes instrumentations testées. Un temps d'essai plus long semble nécessaire pour voir apparaître la dégéné-rescence discale. Les simulations numériques ont montré une nette amélioration de la mobilité des segments ins-trumentés avec une suspension rotulée. La majorité de la mobilité est cependant assuré par le nouveau système de fixation et non par la présence d'une plus grande souplesse axiale. La suspension permet néanmoins un gain supplémentaire pour certains mouvements du rachis. Aucune différence significative n'a été constatée entre les 2 valeurs de raideurs étudiées. La présence de fixations rotulée diminue par contre fortement la correction obtenue lors des simulations de chirurgie de distraction. La suspension seule présente un intérêt certain lors de la correc-tion en diminuant les efforts transmis au matériel. Les développements futurs s'orienteraient donc vers une suspension combinée à des fixations rotulées présentant également des raideurs en rotation pour conserver correction et mobilité

  • Titre traduit

    Biomechanical study of an implantable suspension for the preservation of the intervertebral discs in the treatment of infantile scoliosis


  • Résumé

    Infantile scoliosis is a progressive spinal deformity occurring in children under 3 years-old. The most common currently correction technic is the "growing rods" one. However, the implant rigidity causes intervertebral discs degeneration, which decreases the treatment efficiency. Recent studies have shown the benefic effect of flexible implants on discs. Our team has developed the concept of an implantable suspension that keeps the axial mobility of the instrumented segments, associated with a new fastening ball joint system. However, which is the stiffness value that preserves discs while correcting scoliosis? This thesis goal is to demonstrate the effectiveness of a suspension device for preserving inter-vertebral discs health and obtain quantifiable information on the optimum stiffness value. Prototype suspensions with ball joint fastenings, implantable in quadruped mammals and humans, have been de-veloped to study several ranges of stiffness values in vivo and in silico. An in vivo study on healthy adult goats was conducted to test these prototypes for two different stiffness values. The intervertebral discs health after 6 months was evaluated by MRI and histological sections. In parallel the biomechanics of a human spine was studied with a rigid multi-body numerical model previously validated against in vitro literature data. Healthy and scoliosis subjects instrumented with different devices (traditional rods, sus-pensions, with or without the ball) were modeled. The results of the in vivo study showed no significant difference between the several instrumen-tations. A longer test time seems necessary to observe the onset of disc degeneration. Numerical simulations have shown a marked mobility improvement for the segments in the in-strumented area with a suspension device associated with a ball joint system. However, the majority of the mobility is provided by the new fixing system and not by a greater axial flexibility. The suspension still allows additional gain for certain spine movements. No significant differences were found between the two studied stiffness values. The presence of a ball joint fastening decreases strongly the correction obtained during surgery distraction simulations. The suspension has an interest during correction by reducing the forces trans-mitted to the material when used alone. Future developments thus would lead to a suspension device associated with ball joint fasten-ings that also have rotational stiffness to keep both good scoliosis correction and segments mobility


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