Modélisation et analyse des déplacements vertébraux en chirurgie de la scoliose

Abstract

Cette thèse s'intéresse aux déplacements vertébraux induits par des chirurgies de la scoliose de type Cotrel-Dubousset, durant lesquelles une manoeuvre de dérotation d'un implant rachidien est réalisée. La quantification de ces déplacements est complexe, les segments instrumentés étant composés de plusieurs unités indépendantes, les vertèbres, pouvant se déplacer dans les 3 plans anatomiques. Une méthode permettant le suivi per-opératoire des vertèbres instrumentées a été développée, qui intègre des mesures per-opératoires à des modèles 3D des vertèbres réalisés à l'aide d'une technique de reconstruction stéréoradiographique. Pour cela, les méthodes de localisation d'objets utilisées en robotique sont jumelées aux outils de reconstruction et de visualisation déjà développés au laboratoire informatique sur la scoliose 3D de l'hôpital Ste-Justine. Les mesures per-opératoires ont été réalisées à l'aide d'un numériseur 3D à champs magnétiques. Cinq à six points, situés sur des surfaces pré-définies de la partie postérieure des vertèbres, ont été numérisés. Un programme de recalage points-surfaces, basé sur un processus itératif ainsi que sur les connaissances a priori de la localisation de ces points, permet d'ajuster les données per-opératoires au modèle 3D pré-opératoire de chaque vertèbre. Un modèle 3D per-opératoire est ainsi obtenu. Le système développé a été validé d'abord en simulant la numérisation per-opératoire, puis en réalisant des mesures sur une colonne sèche. Les positions estimées des points numérisés et des repères anatomiques (servant à réaliser le modèle 3D) ont ensuite été comparées aux positions connues sur un modèle de référence. Les résultats de cette validation ont permis de recommander d'utiliser un modèle 3D reconstruit à partir de 6 repères anatomiques par vertèbre, de corriger ces repères par un logiciel lissant leurs positions et minimisant les incohérences géométriques des modèles 3D vertébraux, de représenter les surfaces par des grilles et d'utiliser l'algorithme de recalage ICP (Iterative Closest Point). Un choix optimal de localisation et de nombre de points numérisés a aussi pu être offert. La première hypothèse clinique à vérifier était que la manoeuvre de dérotation induit peu de dérotation axiale des vertèbres, mais plutôt une dérotation en bloc de segments de la colonne et la deuxième qu'il existe un patron des déplacements vertébraux (translations et rotations) associé à la chirurgie C-D. Les mesures per-opératoires pré/post-instrumentation réalisées sur vingt-deux patients ont permis de vérifier qu'il y avait correction de la scoliose dans le plan frontal, de la cyphose et de la lordose dans le plan sagittal; que la dérotation axiale et les rotations intervertébrales n'étaient pas significatives. Les différences de translations et de rotations entre les vertèbres apicales et limites ont démontré que les vertèbres instrumentées subissaient pourtant des mouvements individuels. La première hypothèse est donc vérifiée puisque le principal mouvement des courbes instrumentées est une translation auquel se superposent des déplacements vertébraux individuels moins importants. La deuxième hypothèse a aussi été vérifiée. En effet, dans les plans frontal et sagittal, un patron des déplacements vertébraux a pu être déduit pour les courbes thoraciques droites et thoraciques droites-lombaires gauches. Les rotations axiales n'ont semblé obéir à aucune tendance reliée au type de courbe.