Les pathologies et les traumatismes de la colonne vertébrale peuvent compromettre gravement la qualité de vie des patients. L'intervention chirurgicale est souvent réalisée en utilisant des dispositifs de fixation internes. La fixation à l’aide de vis pédiculaires est une méthode bien établie qui assure une bonne stabilité du rachis post-instrumentation. Cependant, ce type de fixation est associé à des taux d'échec de complications qui peuvent représenter une préoccupation majeure, surtout avec l'avenue de nouvelles techniques chirurgicales plus agressives. De nombreuses études expérimentales ont été consacrées à l'évaluation de la résistance des fixations par vis pédiculaires. Les méthodes d'évaluation incluent la mesure de la densité minérale osseuse, des essais expérimentaux de mesure du couple d'insertion des vis et des essais de traction jusqu’à la rupture. La densité minérale de l’os a été utilisée pour estimer la force ultime d’extraction des vis pédiculaires. Plusieurs études ont aussi indiqué que le couple d'insertion de la vis peut prédire la solidité de fixation des vis pédiculaires alors que d’autres études ont trouvé le contraire. Cette controverse illustre la nécessité d'améliorer la compréhension des facteurs liés à la résistance des fixations par vis pédiculaires. De plus, les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires affectant la rigidité de fixation et conduisant à l'échec demeurent mal compris.
L'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires et les facteurs biomécaniques liés à la solidité de fixation des vis pédiculaires. Cet objectif est relié à deux hypothèses, soient : 1) la force d’indentation appliquée lors du perçage du trou pilote dans l’os vertébral et le couple d'insertion des vis pédiculaire sont reliés à la force d’arrachement des vis et à la rigidité de fixation; 2) un chargement cyclique de flexion des vis pédiculaires dans les directions craniocaudale (CC) et médio-latérale (ML) provoquent un relâchement des vis pédiculaire affectant la force d’arrachement et la rigidité de fixation.
Trois objectifs spécifiques ont été définis pour vérifier ces hypothèses en utilisant deux protocoles expérimentaux. Le premier objectif spécifique est de développer et valider des outils de mesure de la force de pénétration lors du perçage du trou pilote et du couple d'insertion des vis pédiculaires. Le deuxième objectif est de comparer les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires par flexion selon différents modes et d'évaluer leur effet sur la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis. Enfin, le troisième objectif est d'établir les relations entre la force d'indentation, le couple d'insertion, la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis pédiculaires.
Le premier protocole a été réalisé sur des échantillons d'os synthétique afin d’atteindre principalement le premier objectif spécifique. Dans ce protocole, des échantillons de trois densités différentes ont été utilisées pour faire des essais de traction des vis jusqu’à l’arrachement avec et sans chargement cyclique en flexion a priori. Cinq répétitions ont été réalisées pour chaque essai pour un total de 36 essais réalisés dans ce premier protocole. Les relations potentielles entre la force d'indentation et le couple d'insertion des vis avec la force d'arrachement et la rigidité ont été investigués. Le second protocole a été effectué sur des vertèbres porcines pour atteindre les deuxième et troisième objectifs spécifiques. Trois modes de chargement en flexion (CC, ML et aucun (NT)) ont été effectuées sur 27 vertèbres lombaires (L1 à L3) porcines. Les vis ont ensuite été soumises à un essai de traction axiale jusqu’à l'arrachement. Le résultat est un plan d'expérience complet à deux facteurs et trois niveaux (32 = 9 essais) permettant d’étudier l'effet du mode flexion cyclique et du niveau vertébral sur la force d’arrachement des vis et leur rigidité de fixation, ainsi que leurs interactions quadratiques. Avec cinq répétitions, un total de 54 essais ont été effectués en utilisant les deux pédicules de chaque vertèbre. Enfin, des régressions linéaires multiples ont été investiguées entre la force d'indentation du trou pilote, le couple d'insertion des vis, la force d'arrachement et la rigidité de fixation des vis avec et sans flexion a priori.
Les résultats du premier protocole suggèrent que le chargement cyclique en flexion des vis affecte significativement la force d’arrachement (P = 0,01) et la rigidité de fixation (P < 0,0001) des vis pédiculaires. De plus, une force de traction et une rigidité plus élevées ont été démontrées pour les échantillons de plus grande densité lorsqu’aucun chargement cyclique de flexion n’est appliqué. L'effet de la densité est plus élevé que l'effet du chargement en flexion sur la force d’arrachement des vis. La force de pénétration lors du perçage du trou pilote est significativement corrélée avec la force d'arrachement (r = 0,99, P < 0,0001) et la rigidité de fixation(r = 0,92, P < 0,0001). De fortes corrélations ont également été obtenues entre le couple d'insertion de la vis et la force d’arrachement (r = 0,98, P < 0,0001) et la rigidité de fixation (r = 0,91, P < 0,0001).
L'étude sur les vertèbres porcines a montré que le chargement en flexion cyclique de la vis pédiculaire affecte significativement la force d’arrachement (P = 0,0004) et la rigidité de fixation (P < 0,0001). La force d’arrachement et la rigidité la plus faible ont été illustrées pour la flexion cranio-caudale (CC) tandis que les plus élevés ont été observés sans flexion (NT). L'effet du niveau vertébral sur la force d’arrachement est plus élevé que l'effet du chargement en flexion de la vis. Une force de traction plus faible et une plus grande rigidité de fixation des vis ont été observées au niveau des vertèbres L3. L'effet du chargement en flexion est plus important sur la rigidité de fixation que tu sur la force d’arrachement pour chaque niveau vertébral. Des différences significatives ont été observées sur la force d’arrachement des vis pédiculaires entre les modes de flexion CC et NT (P = 0,03) et entre CC et ML (P = 0,02). Pour la rigidité de fixation des vis, des différences significatives ont été observées entre tous les modes de chargement en flexion (CC et NT: P < 0,0001, ML et NT: P = 0,0002, CC et ML: P = 0,0003). La force d'indentation, le couple d'insertion et de la densité osseuse présentent des corrélations importantes avec la force d’arrachement avec ou sans chargement en flexion des vis (0,71 < r < 0,88). La force d'indentation, le couple d'insertion et de la densité osseuse présentent d’importantes corrélations négatives (-0,60 < r < -0,85) avec la rigidité de fixation des vis pour les chargements en flexion CC et NT. Les analyses de régressions multiples ont montré que la densité osseuse et le couple d'insertion des vis permettent d'estimer la force de d’arrachement après flexion cyclée CC ou ML (R2 > 0,85, P < 0,0001). Pour la force d’arrachement sans chargement cyclique des vis, la densité osseuse et l’aire des pédicules sont les principaux facteurs qui contribuent au modèle de régression. La force d’indentation lors du perçage du trou pilote est le meilleur prédicteur de la rigidité de fixation des vis avec et sans chargement en flexion.
En conclusion, le chargement cyclique en flexion affecte significativement la force d’arrachement des vis pédiculaires et leur rigidité de fixation dans l’os. Le chargement cyclique en flexion, en particulier dans la direction cranio-caudale, devrait être considérée dans l'évaluation biomécanique de la fixation à l’aide de vis pédiculaires. De plus, la contribution du chargement en flexion est plus importante pour évaluer la rigidité de fixation que la force d’arrachement des vis pédiculaires. L'effet de niveau vertébral devrait aussi être considéré dans l’évaluation de la fixation par vis pédiculaires. Les outils et les méthodes développés dans ce projet pour mesurer la force d’indentation lors du perçage du trou pilote et le couple d'insertion des vis pédiculaires fournissent des données précieuses et reproductibles pour estimer la force d'arrachement et la rigidité de fixation des vis pédiculaires. La relation entre la force d’indentation, le couple d'insertion des vis, la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis est affectée par le mode de chargement en flexion des vis. Il est donc recommandé de mesurer la force d’indentation, le couple d'insertion des vis pédiculaires et la densité minérale osseuse pour évaluer la fixation vertébrale à l’aide de vis pédiculaires.
| Date | 4 août 2015 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Yvan Petit (Directeur(-trice)) & Jean Marc Mac-Thiong (Codirecteur(-trice)) |
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