Soutenance de thèse de Roxanne DUBE-CYR

La jonction sacro-iliaque (JSI) est une articulation du pelvis caractérisée par une faible mobilité. Elle est une source de douleurs pour 15 à 30% des patients souffrant de maux au bas du dos. En cas de douleurs chroniques, la fixation de la JSI à l’aide d’implants est envisagée. Le chirurgien doit faire plusieurs choix pouvant affecter la stabilité articulaire atteinte: le système d’implants, l’approche chirurgicale, le nombre d’implants, leur positionnement et leurs dimensions. À ce jour, il n’existe pas de consensus et les choix chirurgicaux reposent principalement sur l’expérience du chirurgien. De plus, les caractéristiques relatives au patient peuvent varier considérablement au sein de la population et leur impact sur les résultats de la chirurgie n’est pas connu. Quelques études expérimentales et numériques ont comparé différentes configurations d’implants de fusion en faisant varier le nombre, la trajectoire ou la longueur, mais les résultats sont incomplets. L’objectif général est de caractériser la biomécanique de la JSI, avec et sans implants, et de développer un modèle numérique permettant d’étudier les dispositifs de fusion de la JSI pour répondre à la question de recherche : Comment maximiser la stabilisation biomécanique de la JSI grâce aux choix relatifs aux paramètres d’instrumentation de fusion en fonction des paramètres relatifs au patient? Pour y arriver, une approche hybride combinant la réalisation de campagnes expérimentales cadavériques, et le développement et l’exploitation d’un modèle par éléments finis (MÉF) détaillé du pelvis a été employée. Une première campagne d’essais a permis de comparer deux points d’insertion (proximal et médial) et de montré que l’instrumentation avec un implant réduisait significativement les déplacements verticaux (DV) de la JSI en compression, et qu’il n’y avait pas de différence significative entre les deux points d’insertion. Une deuxième campagne expérimentale a permis de tester les spécimens sans implants puis instrumentés progressivement avec jusqu’à trois implants. La configuration à un implant a permis une diminution significative des DV seulement. En comparaison avec la configuration à un implant, la configuration à deux implants a permis une diminution significative additionnelle des DV et des déplacements angulaires (DA). Finalement, il n’y avait pas de différence significative entre les configurations à deux et trois implants. Un MÉF existant du pelvis a été utilisé pour étudier davantage les paramètres d’instrumentation en faisant varier les paramètres relatifs au patient. En suivant le standard V&V40, des étapes de vérification et validation ont été réalisées. L’effet des points d’insertion sur la fixation de la JSI a été étudié numériquement en comparant trois points d’insertion (proximal, médial, caudal). Les résultats ont montré que le point d’insertion permettant la meilleure réduction de mobilité de la JSI était le point caudal, suivi du point proximal. L’effet du nombre d’implants et l’influence des caractéristiques du patient (géométrie pelvienne et densité osseuse) sur la stabilisation de la JSI ont également été évalués numériquement. L’ajout des deux premiers implants a mené à une diminution significative de la mobilité de la JSI, alors que l’ajout du troisième implant a eu peu d’effet. Une diminution de la densité osseuse a diminué la performance des implants, en plus d’augmenter les contraintes dans l’os. Une approche hybride combinant des essais cadavériques et l’exploitation d’un MÉF détaillé du pelvis a été utilisée pour étudier les dispositifs de fusion de la JSI. Pour maximiser la stabilisation de la JSI, deux implants sont suffisants, et ceux-ci devraient être éloignés l’un de l’autre. Pour un patient ayant une faible densité osseuse, une instrumentation à trois implants serait à privilégier pour diminuer les contraintes dans l’os. À long terme, le modèle pourrait être adapté pour servir d’outil de planification chirurgicale personnalisée.

The sacroiliac joint (SIJ) is an articulation of the pelvis that has limited mobility. It is the source of low back pain for 15 to 30% of patients. In the case of chronic pain, SIJ fixation with implants is considered. The surgeon must make several choices that may affect the achieved joint stability: the implant system, the surgical approach, the number of implants, their positioning and their dimensions. To date, there is no consensus and surgical choices are based primarily on the surgeon’s experience. In addition, patient characteristics can vary widely across the population and their impact on surgical outcomes is unknown. A few experimental and numerical studies have compared different implant configurations by varying the number, trajectory or length, but the results are incomplete. The general objective is to characterize SIJ biomechanics, with and without implants, and to develop a numerical model to study SIJ fusion devices and answer the research question: How to maximize SIJ fixation stability using instrumentation parameters while taking into account patient-related aspects? To achieve this, a hybrid approach combining experimental cadaveric campaigns and the development and exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used. A first experimental campaign allowed comparing two insertion points (proximal and medial). The instrumentation with one implant significantly reduced the vertical displacements of the SIJ in compression and there was no significant difference between the two insertion points. In the second experimental campaign, the specimens were first tested without implants, and then instrumented gradually with up to three implants. The one-implant configuration allowed a significant decrease of vertical displacements only. Compared to the one-implant configuration, the two-implant configuration allowed a further significant decrease in vertical and angular displacements. Finally, there was no significant difference between the two- and three-implant configurations. An existing finite element model of the pelvis was used to further study the instrumentation parameters while varying the patient parameters. By following the V&V40 standard, verification and validation steps were carried out to ensure the model’s credibility. The effect of the insertion points on SIJ fixation was studied numerically by comparing three insertion points (proximal, medial, caudal). The results showed that the insertion point allowing the best reduction in SIJ mobility was the caudal point, followed by the proximal point. The effect of the number of implants and the influence of patient characteristics (pelvic geometry and bone density) on SIJ stabilization were also evaluated numerically. The addition of the first two implants led to a significant decrease in SIJ mobility, while the addition of the third implant had no significant effect. A decrease in bone density decreased the performance of the implants, while also increasing the stress in the bone. A hybrid approach combining cadaveric testing and exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used to study SIJ fusion devices. To maximize SIJ stabilization, two implants are sufficient, and these should be placed far apart from each other. For a patient with low bone density, instrumentation with three implants is recommended to reduce stress in the bone. In the long term, the model could be adapted to serve as a tool for personalized surgical planning.