Soutenance mémoire
Avec l’augmentation de l’espérance de vie, le nombre de problèmes reliés au dos tend à croitre de façon importante. Les pathologies fréquemment observées sont les scolioses, les problèmes lombaires ainsi que les fractures de la colonne vertébrale. Pour pallier à ces problèmes, certains patients doivent subir une intervention chirurgicale pour diverses raisons comme des blessures neurologiques, des instabilités mécaniques, une déformation de la colonne ou encore des douleurs subsistantes malgré un traitement approprié. Une technique courante permettant le traitement de ces symptômes est la fusion osseuse, ou arthrodèse, qui consiste en l’immobilisation d’un segment de colonne afin de faire fusionner plusieurs vertèbres ensemble. Au prix d’une légère perte de mobilité, le patient peut voir ses symptômes diminuer de façon significative.
Lors des traitements de fusion vertébrale, l’utilisation de tiges de fixation rigides entraine des taux de fusion importants, certaines techniques approchant les 100% de réussite. Cependant, une fusion réussie n’est pas systématiquement assimilée à un bon résultat clinique (Bono et Lee 2004; Gibson et Waddell, 2005).
Ce type d’instrumentation immobilise totalement le segment traité dans une position définie par le placement des vis et des tiges. La totalité des déplacements se retrouve alors sur le premier segment adjacent à l’instrumentation comme présenté à la Figure 1.2a) ce qui provoque une hypermobilité à ce niveau. Conséquence de ces déplacements, les contraintes sont concentrées à la limite de l’instrumentation, ce qui est à l’origine des dégénérescences et des problèmes rencontrés au niveau des segments adjacents (Cheh et al., 2007; Chou et al., 2002; Dekutoski et al., 1994; Panjabi, 2007). Lors d’une étude clinique sur 215 patients, (Ghiselli et al., 2004) ont observé des problèmes aux segments adjacents sur 27% des patients après 6 ans et 8 mois de suivi. La même tendance a également été observée par Gillet (2003).
Instrumentations dynamiques existantes
Systèmes polymères PEEK
Ces systèmes utilisent des tiges de polymère polyétheréthercétone (PEEK) à la place des métaux traditionnels. Ce matériau à un module d’élasticité de 3,6 GPa, ce qui en fait un candidat de choix pour le développement d’instrumentations dynamiques.
Highsmith, Tumialan et Rodts (2007) ont présenté des résultats satisfaisants pour 3 patients. Dans une étude de plus grande envergure, Ormond, Albert et Das (2012) ont étudié les cas de 42 patients sur lesquels une fusion a été pratiquée au niveau lombaire à l’aide de tiges en PEEK. Ces auteurs ont conclu que ces tiges ne présentent pas d’avantages par rapport aux tiges métalliques classiques. Ces résultats confirment les observations in-vitro de Gornet et al., (2011b) qui n’ont pas perçu de différence entre les tiges polymères et les tiges métalliques en termes de mobilité lorsque des vis pédiculaires sont utilisées comme ancrages.
Dynesys Dynamic Stabilization System
Une autre solution proposée par la société Zimmer est le système Dynesys présenté à la Figure 1.5. Le dispositif est composé d’une corde de PET (poly(téréphtalate d’éthylène)) passant à travers un manchon de polyuréthane et fixée à deux vis pédiculaires. Mis en place avec une certaine précontrainte, le système permet des mouvements en flexion, compression ou extension. Une étude clinique menée sur 54 patients montre que l’utilisation de ce système entrainait un fort taux d’échec, notamment, des bris de l’instrumentation, fracture du pédicule ou, encore, de l’instabilité des segments adjacents (Bothmann et al., 2008). Une autre étude a également montré que ce système donnait des résultats controversés, considérant que 47% des patients raportaient des douleurs après 12 mois (Wurgler-Hauri et al., 2008). Il a également été montré qu’après 4 ans, près de la moitié des patients pouvaient montrer des signes de problèmes aux segments adjacents (Schaeren, Broger et Jeanneret, 2008).
Isobar TTL
Le système Isobar TTL de la société Scient’X est conçu pour être utilisé comme système dynamique pour la fusion ou alors comme système de stabilisation avec préservation de mouvement. Cette instrumentation est composée d’une tige de 5,5 mm de diamètre et d’un amortisseur mécanique. L’amortisseur autorise ±2,25° de déplacement angulaire et ±0,4 mm de translation axiale.
Dans une première étude clinique menée par Li et al., (2013), ce système a été utilisé pour la stabilisation d’un segment avec préservation de mouvement. Les auteurs décrivent des résultats à court terme satisfaisants, mais des problèmes de dégénérescence des segments adjacents sont apparus après 24 mois chez 39 % des patients. Également, un desserrage des vis pédiculaires a été observé sur 11 % des sujets. Les auteurs ont conclu que la supériorité du système comparé à la fusion n’était pas prouvée.
Instrumentations hybrides
Un nouveau type d’instrumentation, les instrumentations hybrides, consistant en la combinaison d’une instrumentation rigide et d’une instrumentation dynamique est en développement. Il s’agit d’une utilisation dite « off label » des implants dynamiques puisque la FDA (Food and Drug Administration) approuve les SSD pour la fusion uniquement. Cependant, des études cliniques sont en cours. Dans le cas du système Dynesis de Zimmer, l’instrumentation dynamique est associée à une tige rigide via une vis de transition.
Des résultats cliniques encourageants ont été décrits par Maserati et al., (2010) après un suivi allant de 1 à 22 mois. Dans une étude similaire, Schwarzenbach, Rohrbach et Berlemann, (2010) ont obtenu des résultats satisfaisants. Les auteurs mettent en évidence le fait que l’instrumentation hybride aide à préserver l’alignement du segment instrumenté, ce qui soulage le segment adjacent. Ces résultats sont cependant à prendre avec précaution puisque, comme le soulignent les auteurs, les suivis sont encore très cours. Également, parmi les complications observées, le desserrage des vis semble être le plus fréquent (Chiu et al., 2011; Ko et al., 2010; Wu et al., 2011).
Dans une autre étude, Hudson et al., (2011) ont implanté une instrumentation hybride utilisant le système Isobar sur 28 patients. Un ou deux niveaux vertébraux ont été fusionnés et le niveau adjacent à la fusion a été stabilisé à l’aide du système Isobar TTL. Bien que le suivi disponible ne soit que de deux ans, les auteurs sont pour l’instant satisfaits des résultats.
Influence des ancrages
Tous les systèmes de fixation décrits précédemment utilisent des vis pédiculaires comme liens entre la tige et la colonne vertébrale. Dans cette configuration, l’influence de la rigidité du système de stabilisation semble être limitée. En particulier, il a été démontré que le remplacement d’une tige de titane (100 GPa) par une tige de PEEK (3,6 GPa) ne change pas le comportement d’une paire de vertèbres instrumentées (Gornet et al., 2011a). En remplacement des vis pédiculaires, les crochets transverses semblent être un moyen d’attache plus permissif qui pourrait potentiellement amplifier l’impact de la rigidité du système de fixation sur la mobilité.
Certaines études cliniques ont déjà été faites au sujet de l’utilisation de crochets transverses aux extrémités de la fixation. Hassanzadeh et al., (2013) ont observé une diminution significative des problèmes aux segments adjacents avec l’utilisation de crochets transverses après un suivi de 2 ans. Pour expliquer ces résultats, les auteurs mettent en avant une chirurgie moins invasive et donc une préservation des ligaments ainsi que des contraintes moins importantes générées par le crochet sur le corps vertébral. Dans le même ordre d’idées, Helgeson et al., (2010) ont précisé que l’utilisation de crochet à l’extrémité de longues instrumentations pourrait réduire la fréquence des problèmes aux segments adjacents. Ces résultats confirment les observations faites in-vitro par Thawrani et al., (2014). Ces auteurs ont démontré que l’utilisation de crochets transverses pouvait créer une transition en termes de mobilité entre le segment immobilisé et le segment intact. Des résultats similaires ont été observés par Hongo et al., (2009). Un inconvénient de telles instrumentations est cependant le risque de fracture des processus transverses, qui se solde par une stabilisation inadéquate (Van Laar et al., 2007).
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Problématique
1.1.1 Instrumentations dynamiques existantes
1.1.2 Instrumentations hybrides
1.1.3 Influence des ancrages
1.1.4 Résumé
1.2 Solution proposée
1.3 Alliage à mémoire de forme : Comportement mécanique et choix du matériau
1.4 Objectifs de recherche
1.5 Méthodologie
1.5.1 Matériau utilisé
1.5.2 Technologie de fabrication des tiges
1.5.3 Modélisation
1.5.4 Étude biomécanique
1.6 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 MANUFACTURING OF MONOLITHIC SUPERELASTIC RODS WITH VARIABLE PROPERTIES FOR SPINAL CORRECTION : FEASABILITY STUDY
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 Methodology
2.5 Results
2.6 Discussion
2.7 Conclusion
2.8 Acknowledgments
2.9 References
CHAPITRE 3 MONOLITHIC SUPERELASTIC RODS WITH VARIABLE FLEXURAL STIFFNESS FOR SPINAL FUSION : MODELING OF THE PROCESSING-PROPERTIES RELATIONSHIP
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Materials and methods
3.4.1 Material
3.4.2 Joule-heating annealing setup
3.4.3 Annealing: Joule-heating induced temperature distribution modeling and validation
3.4.4 Mechanical behavior after Joule-heating annealing
3.4.4.1 Database of the annealing temperature-dependant stress-strain diagrams
3.4.4.2 Mechanical model
3.4.4.3 Mechanical model validation
3.5 Results
3.5.1 Joule heating-induced temperature distribution
3.5.2 Set of the annealing temperature-dependant stress-strain diagrams
3.5.3 Mechanical behavior after Joule-heating annealing
3.6 Models applications
3.6.1 Thermal model: testing different Joule-heating current-time schedules
3.6.2 Mechanical model: prediction of the variable-stiffness rod’s flexural behavior
3.7 Discussion
3.8 Conclusion
3.9 Acknowledgments
3.10 References
CHAPITRE 4 BIOMECHANICAL ASSESSMENT OF THE STABILIZATION CAPACITY OF MONOLITHIC SPINAL RODS WITH DIFFERENT FLEXURAL STIFFNESS AND ANCHORING ARRANGEMENT
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Materials and methods
4.4.1 Specimen preparation and fixation
4.4.2 Spinal rods
4.4.3 Biomechanical testing setup
4.4.4 Measurements
4.4.5 Statistical analysis
4.5 Results
4.5.1 Forward flexion
4.5.2 Extension
4.5.3 Lateral bending
4.6 Summary on relative mobility for different configurations
4.7 Discussion
4.7 Conclusion
4.8 Funding
4.9 Acknowledgments
4.10 Conflict of interest
4.11 References
DISCUSSION GÉNÉRALE
CONCLUSION
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