Design, Optimization, and Evaluation of a Fusionless Device to Induce Growth Modulation and Correct Spinal Curvatures in Adolescent Idiopathic Scoliosis

RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation musculo-squelettique complexe et tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Les mécanismes de progression de la scoliose sont liés au principe de Hueter-Volkmann. Selon cette théorie, les chargements asymétriques des plaques de croissance altèrent la croissance du rachis (cunéiformisation des vertèbres). Une courbure scoliotique présentant un angle de Cobb supérieur à 50° nécessite généralement une intervention chirurgicale avec fusion rachidienne. Cette chirurgie implique des procédures particulièrement invasives et coûteuses, ce qui a incité plusieurs chercheurs à tenter de développer d‘autres alternatives. Des techniques minimalement invasives et sans fusion ont ainsi été élaborées pour contrôler et corriger un mauvais alignement de la colonne vertébrale avant qu'une progression trop importante des déformations scoliotiques ne se produise. Ces techniques tentent d'exploiter la croissance vertébrale résiduelle afin de corriger la cunéiformisation locale et d‘aboutir à un réalignement progressif du rachis. Les traitements sans fusion semblent également mettre en péril la santé du disque intervertébral à long terme et se limitent à une correction 2D (plan frontal) de déformations intrinsèquement 3D. Mieux comprendre biomécaniquement la progression des déformations scoliotiques permettrait de développer des dispositifs sans fusion plus efficaces. Cela serait une contribution importante et innovatrice à l'amélioration du traitement de la scoliose idiopathique adolescente (SIA). L'objectif global de cette thèse était le développement, l‘optimisation, et l‘évaluation expérimentale d'implants sans fusion afin de moduler la croissance et de corriger les déformations scoliotiques. Les objectifs spécifiques étaient de 1) développer un modèle par éléments finis (MEF) de la colonne vertébrale intégrant une modélisation de la croissance; 2) exploiter ce MEF pour étudier les facteurs biomécaniques impliqués dans les mécanismes de progression de la SIA; 3) exploiter le MEF pour analyser la biomécanique des dispositifs sans fusion existant actuellement et repérer les améliorations pouvant être apportées à ces dispositifs; et 4) exploiter la plate-forme de conception conçue (analyses in silico, in situ, et in vivo) pour développer, optimiser, et valider de nouveaux dispositifs sans fusion modulateurs de croissance pour la correction des déformations de la SIA. ABSTRACT: Scoliosis is a spinal musculoskeletal deformity defined by a 3D deformity of the spine. The pathomechanism of scoliotic progression may be in part explained by the Hueter-Volkmann principle. This theory describes how increased loading of growth plates will reduce regular growth rates while the converse is also accurate. Further, when extended to the pathogenesis of scoliosis, it defines how asymmetric loading of the vertebral bodies leads to the progression of the deformity via vertebral wedging. Currently, a scoliotic curve reaching a magnitude of 50° Cobb deformation requires surgical intervention involving instrumentation and spinal fusion. The process of fusion is among the most invasive and expensive procedures, which has motivated several researchers to develop other alternatives. The development of a less invasive technique, to control and correct a spinal misalignment before undesirable progression occurs, has subsequently been explored. Several fusionless devices have been developed that attempt to manipulate vertebral growth to correct vertebral wedging and, consequently, realign the spine. However, to date, these approaches have yet to be adopted in a clinical context. Moreover, devices actively pursued seemed to imperil the long term health of the intervertebral disc while corrective attempts are restricted to the unilateral manipulation of a 3D deformity. Therefore, enhanced biomechanical understanding of AIS pathomechanism in conjunction with the development of early and less invasive interventions would offer an important contribution to the improved treatment of AIS. The global objective of this thesis was to design, optimize, and evaluated experimentally fusionless device concepts to induce growth modulation and correct spinal curvatures in adolescent idiopathic scoliosis (AIS). The specific objectives were to: 1) develop a FEM of the spine with integrated growth dynamics; 2) exploit the FEM to explore biomechanical factors involved in the pathomechanism of AIS; 3) exploit the FEM to analyze biomechanically current fusionless growth sparring devices to identify available avenues of improvement; and 4) exploit the devised developmental platform (in silico, in situ, and in vivo analyses) to develop, optimize, and validate novel and improved fusionless growth modulating devices for AIS