Current methods for treating and diagnosing spinal deformities caused by scoliosis are both surgically intensive and rarely allow for complete correction. This is mainly due to the fact that the diagnostic techniques used are rough estimates made by angles defined by observations of 2-D radiographs. By utilizing the latest software, our research is based on designing a tool that creates a 3-D representation of the spine. When creating a three-dimensional spinal model, it becomes possible to determine local curvature and local torsion values at each specific vertebrae. By manipulating these values at discrete locations on the spine, one can generate "virtual" spines in a three-dimensional environment. The Scoliosis Learning Tool includes algorithmic steps that determine the Lenke Classification of the "virtual" spines. The Lenke Classification is the most commonly accepted method for diagnosing spinal deformities. This patient building program will produce a group of spines with random values for curvature, torsion and initial spinal orientation. An algorithm within the software determines the Lenke Classification of each, and discards any curves that appear unnatural. By defining a metric that places an emphasis on certain geometric similarities, the software is able to define diameters of classification groups and separations between different classification groups. In turn it is possible to determine minor to major differences between spines within the same classification. In doing so, the opportunity exists to possibly find an undiscovered deformity that had previously fallen under another classification category. / Master of Science

La scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA) est une déformation de la colonne vertébrale d’origine inconnue. Bien qu’elle soit encore aujourd’hui mesurée et classifiée en utilisant des radiographies bidimensionnelles (2D), il est largement rapporté dans la littérature qu’il s’agit d’une affection dans les trois plans de l’espace. Aussi, il semble que le bassin soit impliqué dans la déformation scoliotique, puisqu’il constitue l’assise de la colonne vertébrale et que son orientation influe sur l’équilibre postural. Ainsi, l'asymétrie du bassin et son attitude posturale pourraient être des mécanismes compensatoires de la scoliose idiopathique ou encore être les agents qui déclenchent la déformation du rachis. L’objectif de ce travail est de déterminer la relation entre la morphologie tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale et du bassin et les déformations scoliotiques groupées selon la méthode de Lenke et de connaître les liens entre ces paramètres morphologiques et l’angle de Cobb. Pour ce faire, 80 filles atteintes de la SIA ont participé à l’étude. Plus précisément, 32 sujets étaient atteintes d’une scoliose thoracique, 23 d’une scoliose thoraco-lombaire et 25 d’une scoliose lombaire. Des radiographies simultanées des plans postéro-antérieur et latéral en position debout ont été prises au moyen du système EOS. Quinze repères anatomiques sur chacune des vertèbres entre T1 à L5 et vingt-et-un sur le bassin ont été identifiés sur les paires de radiographies. La reconstruction tridimensionnelle de la colonne vertébrale et du bassin a été faite à partir des repères anatomiques. Au total, cinq paramètres sur la colonne vertébrale et trois sur le bassin ont été calculés afin d’identifier la morphologie des déformations scoliotiques thoraciques, thoraco-lombaires et lombaires. L’algorithme de classification non-supervisée de la logique floue ou fuzzy c-means (FCM) a été utilisé pour classifier les sujets. Des classifications à deux et trois classes ont été faites avec les données normalisées et non-normalisées, c’est-à-dire en faisant ou en ne faisant pas abstraction au niveau de la courbure scoliotique. Des analyses de variances à un facteur (ANOVA) avec post-hoc ont été menées sur les classifications à deux groupes et deux classes, alors que des analyses multivariées (MANOVA) avec post-hoc ont été réalisées sur les classifications à trois groupes et trois classes non-normalisés et normalisés. L’angle de Cobb du segment thoracique principal est significativement différent pour les trois types de scolioses. Cependant, ces différences pourraient être associées aux segments analysés et à la sévérité de la courbure. Avec les données normalisées, les scolioses thoraciques L1 se regroupent ensemble pour la classification à deux classes et se divisent en deux pour la classification à trois classes. Les paramètres de la cyphose (p = 0,000), de la lordose (p = 0,000) et de l’orientation du plan de courbure maximale (PCM) (p = 0,000) sont ceux qui divisent ces sujets. Quant aux L5 et L6, peu importe la classification, ils se rassemblent généralement dans une même classe. Aussi, des corrélations de Pearson ont été réalisées en fonction de l’angle de Cobb, afin de déceler des liens entre les types de déformation et les paramètres morphologiques. Le bassin ne semble pas avoir d’impact sur l’issu des classifications, mais il est corrélé avec les déviations scoliotique des sujets lombaires. En effet, la version pelvienne (r = -0,433; p = 0,031) est en relation inverse, tandis que la pente sacrée est en relation directe (r = 0,419; p = 0,037). En résumé, les résultats de cette étude indiquent que l’apport de la morphologie 3D de la colonne vertébrale et du bassin aux déformations scoliotiques thoraciques (L1), thoraco-lombaires (L5) et lombaires (L6) apporte des informations cliniquement pertinentes. Nos résultats obtenus par logique floue concernant les sujets thoraciques appuient ceux de la littérature, à savoir que ces sujets ne sont pas tous hypocyphosés. De nouveaux paramètres, tels que la lordose et l’orientation du PCM, viennent renforcer l’idée qu’il existe des sous-groupes parmi les scoliotiques thoraciques. Finalement, bien que d’un point de vue visuel, les sujets thoraco-lombaires et lombaires soient différents, du côté de la morphologie tridimensionnelle, ces sujets sont inséparables. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a deviation of the spine of unknown origin. Although it is still classified and measured using two-dimensional X-ray, it is widely reported in the literature that scoliosis is a deviation in the three planes of space. Also, it seems that the pelvis is involved in the scoliosis deformity, as it is the foundation of the spine and its orientation influence on postural balance. Thus, the asymmetry of the pelvis and postural attitude could be compensatory mechanisms of idiopathic scoliosis or be agents that trigger this disease. The aim of this work is to determine the relationship between the three-dimensional morphology of the spine and pelvis of scoliosis grouped according to Lenke’s classification and to know the links between morphological parameters and the Cobb angle. Eighty girls with the SIA participated in this study. Specifically, 32 subjects were suffering from thoracic scoliosis, 23 thoracolumbar scoliosis and 25 lumbar scoliosis. Simultaneous radiographs of posterior-anterior and lateral planes in standing position were taken with the EOS system. Fifteen anatomical landmarks on each of the vertebrae between T1 and L5 on the spine and twenty-one on the pelvis, have been identified on the pairs of radiographs. The three-dimensional reconstruction of the spine and pelvis was made from the two radiographs and the anatomic landmarks. A total of five parameters on the spine and three on the pelvis were calculated to identify the morphology of thoracic, thoracolumbar and lumbar deformations. The unsupervised classification algorithm of fuzzy c-means (FCM) was used to classify subjects. Classifications with two and three classes were made with non-standardized and normalized data, i.e. by omitting the level of the scoliosis curve. Analysis of variance (ANOVA) with post-hoc was conducted on classifications with two groups and classes and multivariate analysis (MANOVA) with post-hoc were made on classifications with three groups and classes. The Cobb angle of the main thoracic segment was significantly different for the three types of scoliosis. However, these differences might be attributed to the analyzed segment and severity of the curve. With the normalized data, the thoracic scoliosis L1 subjects regroup in classification with two classes and divides into two classes in the classification with three classes. These classes are divided according to the kyphosis (p = 0.000), lordosis (p = 0.000) and the orientation of plane of maximum curvature (PMC) (p = 0.000) parameters. Regardless of classification, L5 and L6 usually gather in the same class. Also, Pearson correlations were made according to the Cobb angle, in order to detect the relationship between the types of deformation and morphological parameters. Finally, the pelvis had no impact on classifications, but it is correlated with the scoliotic deviation of the lumbar scoliosis. The pelvic tilt (r = -0.433; p = 0.031) is inversely correlated, while the sacral slope has a direct relationship (r = 0.419; p = 0.037). In conclusion, the results of this study indicate that the contribution of the 3D morphology of the spine and pelvis to the thoracic (L1), thoracolumbar (L5) and lumbar (L6) scoliosis provides clinically relevant information. Our results gained by fuzzy-c-means support those in the literature, according to which these subjects are not all hypokyphotic. New parameters such as lordosis and orientation of the PMC, reinforce the idea that there are subgroups within the thoracic scoliosis. Finally, although the thoracolumbar and lumbar subjects appear to differ from a visual standpoint, these subjects are inseparable according to the three-dimensional morphology parameters.