Biomécanique de l'ancrage de vis pédiculaires pour l'instrumentation du rachis : une approche numérique et expérimentale

Biomechanical anchorage analysis of pedicle screws for spinal instrumentation

• Auteur / Autrice : Rohan-Jean Bianco
• Direction : Pierre-Jean Arnoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science du mouvement humain
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Polytechnique Montréal (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Villemure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Arnoux, Isabelle Villemure, Stephane Avril, Yannick Tillier, Jean-Marc Mac-Thiong, Stefan Parent, Julien Cohen-Adad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephane Avril, Yannick Tillier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments-frontières, Méthode des

Colonne vertébrale

Scoliose

Biomécanique

Mots clés libres

Biomécanique

Scoliose

Vis pédiculaire

Instrumentation

Rachis

Analyse éléments finis

Expérimentation

Biomechanics

Scoliosis

Pedicle screw

Instrumentation

Spine

FInite element analysis

Experimentation

Résumé

Les vis pédiculaires sont largement utilisées pour l’instrumentation et la correction du rachis. L’objectif général de ce projet doctoral est d’étudier l'influence des choix chirurgicaux et des variations morphologiques des vertèbres sur l'ancrage biomécanique des vis pédiculaires. Pour cela, nous avons fait le choix de combiner une modélisation détaillée de l’interaction vis-vertèbre à l’acquisition de données expérimentales indispensables pour valider les outils de simulation. Ce projet doctoral propose un modèle par éléments finis original et innovant prenant en compte l’interface de contact entre les structures osseuses et un comportement élastoplastique avec modélisation de la fracture osseuse pour décrire la biomécanique de l’interaction vis-pédiculaire/vertèbre. De plus, ce projet a également permis de proposer un protocole et une méthode d’analyse pour l’étude de vis pédiculaires sous chargements non-axiaux. Les connaissances développées au cours de ce projet doctoral ont permis de fournir des recommandations pratiques pour les cliniciens ainsi que les développeurs d’implants biomédicaux, autant sur les futurs choix de design des vis pédiculaires que les choix de vis et leur placement afin d’obtenir un meilleur ancrage. À long terme, le modèle pourrait être adapté pour analyser plus en détail les caractéristiques spécifiques du patient et être utilisé comme une formation virtuelle ou d'un outil de planification préopératoire.

The pedicle screws are widely used for instrumentation and correction of the spine. The general objective of this doctoral project is to investigate the influence of surgical choice and morphological changes in the vertebrae on the biomechanical anchorage of pedicle screws. A combined approach using a detailed numerical model to simulate the screw-vertebrae interaction and the acquisition of necessary experimental data to validate the numerical tool was chosen. This doctoral project proposes an original and innovative finite element model taking into account the contact interface between the bone structures and an elastoplastic behavior with bone fracture modeling to describe the biomechanics of the screw / vertebra interaction. In addition, this project also propose a protocol and a method of analysis for the study pedicle screws in non-axial loads. The knowledge developed during this doctoral project have provided practical recommendations for clinicians and developers of biomedical implants, both on future choices of design pedicle screws that screw choice and placement to obtain better anchoring. In the long term, the model could be adapted to further analyze the specific characteristics of the patient and be used as a virtual training or a preoperative planning tool.