Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / 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.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet de recherche translationnel visant à améliorer la conception des corsets orthopédiques de traitement de la scoliose par la mise en place, par méthode inverse, d'un modèle biomécanique global, simplifié et personnalisé, propre au tronc de chaque patient scoliotique. Ils constituent la première étape de ce projet, à savoir, développer et mettre en œuvre des techniques, outils et protocoles permettant, d'une part, la construction d'un modèle géométrique 3D de la surface externe et des éléments internes du tronc du patient à partir de radiographies bi-planes issues d'un équipement standard et du système Model Maker (Proteor), et d'autre part, la mesure des pressions exercées par le corset ainsi que leur recalage sur les géométries reconstruites. Des reconstructions géométriques 3D du tronc avec et sans corset ainsi que des mesures de pressions ont été réalisées pour 11 patients. La conception d'un unique dispositif de calibration associé à un protocole spécifique permet l'acquisition des différentes données quasi sans déplacements du patient. Sa facilité de transport, d'installation et son faible coût, associés à un temps d'acquisition ne pénalisant pas le confort du patient, rendent envisageable son utilisation en routine clinique. L'utilisation de modèles géométriques paramétriques, associée à des équations de prédiction des paramètres anatomiques, permet d'obtenir une initialisation rapide des géométries des éléments internes du tronc à partir d'un nombre réduit de points anatomiques à numériser. Les mesures de la pression exercée par le corset, effectuées à l'aide d'un dispositif innovant muni de capteurs entièrement réalisés en fibres textiles lui permettant d'épouser parfaitement les courbes anatomiques, ont mis en avant les variations de correction, non négligeables, qu'entraînent la modification de la position du patient. / This thesis is a part of a translational research project to improve scoliosis orthopedic brace design through the use, by inverse method, of a simplified and personalized comprehensive biomechanical model for each scoliotic patient’s trunk. It represents the first step of this project, namely, to develop and to implement methods, tools and protocols allowing, on one hand, 3D reconstruction of the external shape and internal components of patient’s trunk from biplanar X-rays (performed with a standard device) and the Model Maker system (Proteor), and on the other hand, measurements of the pressure infered by the brace and their registration on the reconstructed geometry. 3D modeling of the trunk with and without brace as well as pressure measurement were carried out on 11 patients. The development of a common calibration device associated to a specific protocol allows data acquisition nearly without displacements of the patient. Its ease of transportation, installation and a low cost associated with an acquisition time which not penalize the patient’s comfort make possible its use in clinical routine. The use of parametrics geometrical models associated with prediction equations of anatomical parameters provides fast initialization of the geometries of trunk’s internal elements from a reduced number of anatomical landmarks to digitize. Measurements of the pressure infered by the brace, performed thanks to an innovative device made of pressure-sensitive textile fibers allowing it to perfectly fit anatomical curves, have highlighted significant correction variations according to the patient’s position.