Validation pré-clinique d'un dispositif innovant de correction de la scoliose

Texte intégral

(1)Validation pré-clinique d’un dispositif innovant de correction de la scoliose Thibaut Cachon. To cite this version: Thibaut Cachon. Validation pré-clinique d’un dispositif innovant de correction de la scoliose. Biomécanique [physics.med-ph]. Université de Lyon, 2018. Français. �NNT : 2018LYSE1355�. �tel-03081253�. HAL Id: tel-03081253 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03081253 Submitted on 18 Dec 2020. HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés..

(2) N°d’ordre NNT : xxx. THESE de DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE LYON opérée au sein de. l’Université Claude Bernard Lyon 1 Ecole Doctorale N° ED 162 Mécanique, Energétique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) Spécialité de doctorat : Discipline : Biomécanique. Soutenue publiquement/à huis clos le 21/12/2018, par :. Thibaut CACHON. VALIDATION PRE-CLINIQUE D’UN DISPOSITIF INNOVANT DE CORRECTION DE LA SCOLIOSE. Devant le jury composé de : CHABRAND, Patrick Professeur ODENT, Thierry Professeur CHEZE, Laurence Professeur VIATEAU Veronique Professeur VIGUIER, Eric Professeur. Université d’Aix Marseille Université de Tours Université Lyon 1 ENVA-Université Paris Créteil VetAgro-Sup-UCBL 1. Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinatrice Directeur de thèse. .

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(4) Résumé La scoliose est une déformation en trois dimensions de la colonne vertérbale. Les traitements chirurgicaux actuels sont à l’origine d’une perte de mobilité et de croissance du rachis. Pour palier à ces difficultés, un implant innovant de correction à été développé. Cet implant de type « fusionless » a pour but de préserver la mobilité et la croissance de la colonne vertébrale. Des études morphométriques nous ont permis de connaître la croissance du rachis chez le porc. Cette dernière est maximale entre la 6ème et la 10ème semaine de vie. Les corridors d’insertion des vis pédiculaires ont également pu être décrit. Ensuite, des essais biomécaniques nous ont permis de connaître les contraintes s’exerçant sur le rachis du porc au cours de l’apparition des déformations scoliotiques et de décrire la résistance à l’arrachement des vis pédicualires. Chez le porcs, leur implantation doit etre bicorticale. Enfin, le dispositif a pu être implanté avec succès et a été suivi pendant 2 mois chez 6 porcs charcutiers. Nous avons pu montrer que le dispositif ne semble altérer ni la croissance ni la mobilité rachidienne. Aucune dégénérescence discale n’a été observée.. Mots clés Scoliose, Rachis, Chirurgie, Fusionless, Porc. .

(5) Title PRECLINICAL VALIDATION OF A INNOVATIVE DEVICE FOR THE CORRECTION OF SCOLIOSIS. Abstract Scoliosis is a three-dimensional deformity of the spine. Current surgical treatment are associated with a lost of spine mobility and growth. To avoid those complications, a new fusionless device, preserving spine growth and mobility, has been develloped. Morphometrics studies allow us to evaluated spinal growth in the pigs. This latter one is maximal between the 6th and 10th weeks. Safe corridor of implantation of pedicle screws was also described. During biomechanicals studies, in vivo measurements of forces observed pigs during soliosis deformities induction in a porcine model was performed. Pullout ressitance of pedicle screw in pigs verterbra was also measured in ordre to optimize pedicle screw fixation in the porcine model. In growing pigs, bicortical screw implantation should be used. Finally, the device was implanted during two months in 6 pigs. Spine growth and mobility were not affected and no disc degeneration was observed during the follow up period. Key Word Scoliosis, Spine, Surgery, Fusionless, Pigs. .

(6) Table des matières Résumé ...............................................................................................................................3 Mots clés ............................................................................................................................3 Title ....................................................................................................................................4 Abstract ..............................................................................................................................4 Key Word ...........................................................................................................................4 Table des matières ..............................................................................................................5 Introduction ........................................................................................................................7 Chapitre 1: Contexte Général et Présentation de l’Etude ..........................................................9 1. Anatomie du rachis et scoliose ...............................................................................................9 2. Pathogénie .............................................................................................................................12 2.1. Classification des scolioses ............................................................................................13 2.2. Classification en fonction de l’âge :...............................................................................13 2.3. Classification en fonction de la localisation : ................................................................13 2.4. Classification en fonction de l’importance de la déformation : .....................................14 2.5. Classification en fonction du nombre de courbures :.....................................................15 2.6. Classification étiologique : ............................................................................................16 3. Traitement .............................................................................................................................16 3.1. Traitement orthopédique : ..............................................................................................17 3.2. Traitement chirurgical :..................................................................................................17 Traitement par arthrodèse ....................................................................................................18 Traitement « sans fusion » ...................................................................................................19 4. Présentation du dispositif ......................................................................................................22 5. Choix du modèle ...................................................................................................................24 6. Présentation générale de l’étude ...........................................................................................26. .

(7) Chapitre 2: Etudes Morphométriques du Rachis du Porc en Croissance ...............................27 1. Analyse tomodensitométrique de la croissance du rachidienne chez le porc .......................28 2. Description des corridors d’implantation des vis pédiculaires thoracolombaire chez le porc en croissance ................................................................................................................................31 3. Conclusions et points clés .....................................................................................................43 Chapitre 3: Etudes Biomécaniques .............................................................................................44 1. Mesures des contraintes in vivo s’exerçant sur le rachis thoraco-lombaire du porc en cours de l’induction d’une déformation scoliotique ..............................................................................45 2. Caractéristiques d'arrachement des vis pédiculaire chez le porc en croissance ....................51 3. Conclusions et points clés .....................................................................................................63 Chapitre 4: Validation du Concept in Vivo ................................................................................64 1. Validation in vivo de la préservation de la croissance et de la mobilité du rachis par un dispositif innovant de correction de la scoliose ...........................................................................65 2. Conclusions et points clés .....................................................................................................88 Chapitre 5: Conclusions et Perspectives .....................................................................................89 1. Conclusions générales ...........................................................................................................89 2. Perspectives...........................................................................................................................92 2.1. Evaluation mécanique du dispositif sur le rachis sain et de le comparer à un dispositif rigide : ......................................................................................................................................92 2.2. Evaluation de l’éfficacité du dispositif à corriger des déformations scoliotiques chez un modèle porcin : ........................................................................................................................93 2.3. Evaluation de la tolérance à long terme et de l’usure du dispositif : .............................95 Bibliographie....................................................................................................................96. .

(8) Introduction. La scoliose est une affection qui touche principalement l’homme et qui se définit par une déformation en trois dimensions de toute ou d’une partie de la colonne vertébrale. La scoliose se développe habituellement après la petite enfance, avant la puberté et pendant la croissance pubertaire. Cette pathologie, relativement fréquente, atteint en majorité la population féminine (une fois et demi à deux fois plus que chez le garçon). Ces déformations évoluent au cours du temps. La scoliose est donc une affection dynamique qui s’aggrave au cours de la croissance. La prise en charge de ces affections est, le plus souvent, orthopédique ; cependant, le traitement chirurgical est nécessaire dans les formes graves et/ou évolutives. L’arthrodèse reste, à l’heure actuelle, le traitement de choix de nombreuses déformations. Cependant, la fusion vertébrale, associée à ce type de chirurgie, annihile la croissance rachidienne. Ainsi, chez le jeune, des traitements "sans fusion" se sont développés afin de préserver la croissance. Ces techniques nécessitent la réalisation de nombreuses chirurgies et, à cause de la rigidité du matériel utilisé, limitent ensuite la mobilité de la colonne. Cette perte de mobilité est à l’origine d’une dégénéresence discale et articulaire, voire dans certains cas, d’une fusion vertérbale. Ces traitements chirurgicaux actuels, ne sont donc pas idéaux. Afin de répondre à une partie des limites des traitements actuels, un implant inovant de correction préservant la mobilité et la croissance rachidienne a été mis au point. Ce dispositif a été développé par la société EUROS SAS en collaboration avec le Docteur Miladi (chirurgien orhtopédiste spécialiste du rachis : Hopital Necker, Paris) et le Groupe Interdiscipplianire en Biomécanique ostéoarticulaire et cardiovasculaire (GIBoc) de Marseille. Il a fait l’ojet d’essai mécanique et tréibologique pour la thèse de Sophie Le Cann. Le but de notre travail est de valider in vivo le concept de ce nouvel implant.. .

(9) Pour cela, des études préalables de planification ont été nécessaires. Ainsi, après la présentation des techniques actuelles de corrections des déformations scoliotiques et de leurs limites, permettant d’expliquer le caractère innovant du dispositif, nous nous attacherons à décrire le cheminement de notre étude.. Notre travail c’est décomposé en trois grandes étapes. Tout d’abord, afin d’optimiser la mise en place des implants et de connaître la croissance normale du rachis du porc, une étude morphométrique a été réalisée sur des cochons sains. Cela nous a permis de mesurer la croissance du rachis et de déterminer, chez le porc, les corridors d’implantation des vis pédiculaires indispensables à la fixation du dispositif. Ensuite, des études biomécaniques ont été réalisées. Ces études ont eu pour but d’optimiser la fixation osseuse des vis pédiculaires, et de connaître les contraintes s’exerçant sur un rachis de porc. Ces deux étapes ex vivo ont permis de préparer la dernière phase du projet dans laquelle le dispositif de correction a été implanté chez 6 porcs en croissance. Cette étape finale a permis d‘évaluer les conséquences sur la croissance et la mobilité rachidienne du dipositif en place.. .

(10) Chapitre 1: Contexte Général et Présentation de l’Etude 1. Anatomie du rachis et scoliose Chez les vertébrés, le rachis représente un axe de soutien et de mobilité primordial. C’est un élément central du squelette qui assure également une protection au système nerveux. Il est constitué d’un enchaînement d’os (les vertèbres), reliés entre eux par les processus articulaires qui confèrent à la colonne sa souplesse. Les disques intervertébraux permettent la répartition des pressions et l’amortissement des chocs. Les ligaments assurent le maintien de l’ensemble de la colonne. Les structures musculaires, enfin, participent au mouvement et à l’équilibre de l’axe rachidien (1). La scoliose, pathologie rachidienne humaine, est une déformation en 3 dimensions (dans les trois plans de l’espace) de toute ou d’une partie de la colonne vertébrale (cervicale, thoracique ou lombaire (1)(2). Cette maladie est connue depuis l'antiquité. Le terme de scoliose a été introduit par Galien (AD Galien, 131-201, De Moto Musculorum). Étymologiquement, il dérive du grec « skolios » qui signifie sinueux, tortueux (3) (Figure 1).. . .

(11) Figure 1 : Illustration d’une scoliose, vue de dos (4) Il convient de distinguer la scoliose organique, pour laquelle une torsion dans l’espace des vertèbres les unes par rapport aux autres est observée, de l’attitude scoliotique qui correspond à une inflexion latérale du rachis dans le plan frontal sans véritable torsion vertébrale et sans déformation asymétrique du tronc ou des zones paravertébrales (5)(2). Chez l’homme, en position debout, le rachis normal est rectiligne et vertical de face sur un bassin horizontal. Aucune rotation des corps vertébraux n’est présente. Cependant, le rachis présente, de profil, des courbures physiologiques en lordose lombaire et cervicale (convexe en avant) et en cyphose dorsale (convexe en arrière) (Figure 2). Les courbures sagittales apparaissent progressivement pendant l'enfance. Le foetus et le nouveau-né n'ont qu'une grande courbure unique en cyphose de l'atlas au coccyx. La lordose cervicale s'ébauche quand l'enfant commence à redresser sa tête (vers 3 ou 4 mois), est majorée avec la position assise puis la marche. Elle augmente progressivement pour se stabiliser entre 10 et 15 ans. La lordose lombaire apparaît dans la petite enfance, puis elle augmente jusqu'à l'adolescence. Le bassin bascule progressivement en avant et le sacrum s'horizontalise (1). La biomécanique permet de comprendre aisément la raison d'être des courbures sagittales physiologiques. Une loi de mécanique générale élémentaire appelée . .

(12) le « flambage » dit que si on soumet une poutre rectiligne verticale à une compression axiale, elle se déforme en flexion puis se rompt dans une direction impossible à prévoir. En revanche, on contrôle la direction des déformations en courbant au préalable la poutre. C'est exactement la même chose pour le rachis. L'apparition des courbures sagittales permet d'orienter les forces qui lui sont imposées. Sa résistance mécanique est améliorée. L'ensemble des structures ligamentaires et aponévrotiques et les muscles pararachidiens contrôlent la statique et les déformations de la colonne. Il sont indispensables au maintien de la posture (5).. Figure 2 : Vue anatomique de face et de profil du rachis humain (4). Au contraire, la scoliose réalise mécaniquement un mouvement de torsion des constituants vertébraux et intervertébraux. C'est un déplacement simultané de tous les composants du rachis dans chacun des trois plans de l'espace, avec rotation des éléments postérieurs dans la concavité et des corps vertébraux vers la convexité. La torsion est maximale pour la vertèbre sommet et nulle. . .

(13) pour les vertèbres neutres. Cette torsion est ainsi comparable à l’essorage d’un torchon mouillé qui induit une torsion et une courbure avec raccourcissement de l’espace entre les mains. 2. Pathogénie Si la scoliose apparaît assez tôt au cours de la croissance, elle engendre des déformations osseuses dues à des asymétries de croissance. Les déformations des constituants du rachis sont une conséquence et non une cause de la scoliose. Cependant, elles participent au « cercle vicieux de la scoliose » pour lequel une charge asymétrique sur la colonne vertébrale entraîne une déformation de la colonne et une croissance asymétrique des vertèbres, ce qui accentue encore la déformation de la colonne et ainsi de suite. Les déformations vertébrales aggravent, par contre, la conformation de la courbure plus difficile à traiter. La compréhension et l’analyse de ces déformations vertébrales sont indispensables à la prise en charge d’un patient scoliotique (2,6,8,9). Les déformations osseuses finales s'expliquent par l'hyperpression mécanique qui s'exerce sur les éléments de la concavité, comparée au relatif "étirement" observé sur les éléments de la convexité. Ainsi, selon la loi de « Hueter-Volkman » sur les cartilages de croissance, la croissance est ralentie sur les zones comprimées et est au contraire accélérée dans les zones étirées. On observe donc une cunéiformisation des corps vertébraux, une asymétrie des pédicules, une anomalie de position des processus épineux et transverses, une déformation de l’arc vertébral et une torsion de la vertèbre (6,8,10,11). La scoliose apparaissant majoritairement pendant le jeune âge, elle s’aggrave, le plus souvent, avec la croissance. En fonction de l’importance de la déformation, la scoliose peut être à l’origine d’une gêne fonctionnelle et esthétique pouvant aller, pour les cas les plus sévères, jusqu’à une insuffisance respiratoire et une hypertension cardiaque et pulmonaire secondaire à un développement anormal de la cage thoracique (1,2,10).. . .

(14) 2.1. Classification des scolioses Les scolioses sont principalement classées selon, l’âge d’apparition des symptômes, leur topographie, leur importance, leur forme ou leur étiologie (3). Récemment, afin de faciliter les comparaissons et les échanges internationaux, un groupe d’expert à proposé une classifications internationales selon trois critères, l’âge d’apparition, l’angulation de la déformation et sa topographie (12).. 2.2. Classification en fonction de l’âge : En fonction de l’âge au moment du diagnostic on distinguera des scolioses : -. Infantiles, diagnostiquées avant 2 ans ;. -. Juvéniles, diagnostiquées entre 3 et 9 ans ;. -. Adolescentes, diagnostiquées entre 10 et 17 ans ;. -. Adules, diagnostiquées après 18 ans.. 2.3. Classification en fonction de la localisation : La position de la vertèbre sommet de la courbure le long de l’axe rachidien, permet de distinguer des scolioses (Figure 3) : -. Cervicales, dont la vertèbre sommet se situe entre les vertèbres C1 à C6 ;. -. Cervico-thoraciques, dont la vertèbre sommet se situe au niveau des vertèbres C7 ou Th1 ;. -. Thoraciques, dont la vertèbre sommet se situe entre les vertèbres Th2 à Th11 ;. -. Thoraco-lombaires, dont la vertèbre sommet se situe au niveau des vertèbres Th12 ou L1 ;. -. . Lombaires, dont la vertèbre sommet se situe entre les vertèbres sommet de L2 à L4 ;. .

(15) -. Lombo-sacrées, dont la vertèbre sommet se situe au niveau des vertèbres L5 ou S1.. Figure 3 : Classification des déformations scoliotiques en fonction de la position de la vertèbre sommet. 2.4. Classification en fonction de l’importance de la déformation : L’importance de la déformation, mesuré par la méthode de Cobb, permet également de classer les scolioses en fonction de leur sévérité (12). L’angle de Cobb est défini comme l’angle. . .

(16) entre le plateau vertébral supérieur de la vertèbre jonctionnelle supérieure (la plus inclinée) et le plateau vertébral inférieur de la vertèbre jonctionnelle inferieure (Figure 4) (13). On distingue -. Groupe I : déformation faible : inférieur à 20° ;. -. Groupe II : déformation modérée : 21 à 35° ;. -. Groupe III : déformation modérée à sévère : 36 à 40° ;. -. Groupe IV : déformation sévère : 41 à 50° ;. -. Groupe V : déformation sévère à très sévère : 51 à 55° ;. -. Groupe VI : déformation très sévère >56°.. Figure 4 : Mesure de l’angle de Cobb. Il correspond à l’angle entre le plateau vertébral supérieur de la vertèbre jonctionnelle supérieure (la plus inclinée) et le plateau vertébral inférieur de la vertèbre jonctionnelle inférieure.. 2.5. Classification en fonction du nombre de courbures : Le nombre de courbures permet également de décrire trois grands types de scoliose :. . .

(17) -. Scoliose simple c’est à dire à ne présentant qu’une courbure majeure ;. -. Scoliose double ou combinée présentant deux courbures majeures ;. -. Scoliose triple à trois courbures.. 2.6. Classification étiologique : Enfin, les scolioses sont classées en fonction de leur étiologie. On distingue des scolioses congénitales, idiopathiques ou secondaires à une autre pathologie. Les étiologies de ces dernières sont extrêmement nombreuses. Elles sont généralement secondaires à une pathologie neuromusculaire. Les scolioses dites idiopathiques sont les plus fréquentes (plus de 70 % de toutes les scolioses et 3% des affections de l’enfant ) et touchent préférentiellement les jeunes filles en croissance (14).. 3. Traitement Lors de déformations évolutives ou invalidantes, un traitement est nécessaire afin de limiter l’aggravation de la scoliose et, si possible, diminuer son angulation. Au-delà de la kinésithérapie, qui peut être mise en place lorsque la courbure est faible, en maximisant le potentiel musculaire et la motricité du patient, on distingue deux grandes catégories de traitement. Le traitement orthopédique d’une part et le traitement chirurgical (15–17). Les but des traitements sont de limiter la progression de la courbure, de limiter les troubles respiratoires associées, de traiter les douleurs dorsales et enfin d’améliorer l’esthétique afin, in fine, d’améliorer la qualité de vie des patients.. . .

(18) 3.1. Traitement orthopédique : Le traitement orthopédique, consiste en la mise en place de corsets. Il est le plus souvent choisi en première intention, notamment pour le traitement des scolioses peu évolutives dont l’angulation est faible. L’action est mécanique, le corset contraignant la croissance du rachis afin de corriger la déformation. L’efficacité n’est pas systématique et les inconvénients, mécaniques comme psychologiques, sont non négligeables dans le confort du patient (15–18).. Figure 5 : Exemple d’un corset utilisé dans le traitement de la scoliose. 3.2. Traitement chirurgical : Le traitement chirurgical intervient lorsque la déformation ou les conséquences qui lui sont liées (insuffisance respiratoire, douleur, inesthétisme sévère...) sont majeures. La chirurgie permet, dans un premier temps, de réduire la déformation en redressant la colonne, puis de fixer la correction, le plus souvent, par arthrodèse vertébrale (16,17,19).. . .

(19) Traitement par arthrodèse Aujourd’hui, deux grandes familles se distinguent parmi les traitements chirurgicaux. Ceux créant une spondylodèse, ou fusion vertébrale, développés depuis le début du XXème siècle (20). Les plus techniques les plus célèbres parmi ces méthodes de fusion vertébrales sont les tiges d’Harington (Figure 6) (20,21) et le montage de Cotrel-Dubousset (Figure 7) (22) qui représentent encore, à l’heure actuelle, un gold standard dans le traitement des déformations vertébrales. Si ces techniques permettent de corriger en trois dimensions les déformations de manière pérennes, elles présentent de nombreux inconvénients. En effet, elles sont associées à une perte de mobilité mais aussi à une suppression des capacités de croissance du rachis, surtout chez les jeunes patients (7,19,20).. Figure 6 : Tige de fusion développée par Harrington dans les années 1960 (23) . .

(20) Figure 7 : Radiographie d’un rachis après implantation d’un montage Cotrel-Dubousset (A) et détails des éléments de fixation (B).. Traitement « sans fusion » Ainsi des traitements dits « sans-fusion », ont été développés. Apparus plus tardivement, ils ont pour but de préserver la croissance rachidienne. Cela permet de corriger des déformations de plus en plus précocement, et d’utiliser la croissance rachidienne comme aide à la correction (16,19,24). Plusieurs systèmes existent : -. Ceux permettant de moduler la croissance vertébrale, comme les agrafes ou les attaches ligamentaires. Ils ont pour but de ralentir la croissance du côté convexe de la déformation au profit du coté concave (Figure 8) (16,19,24–29). Les principales limites de ces techniques sont : - Elles nécessitent le plus souvent un abord antérieur plus risqué que l’abord postérieur ; - Elles ne peuvent corriger que des déformations relativement faibles, inférieures à 40° environ ;. . .

(21) - Le potentiel de croissance résiduelle reste important (16,19,24).. Figure 8 : Agrafes (A) et ligament vertébral (B) utilisés sur le coté convexe de la déformation afin de ralentir sa croissance et donc de corriger la déformation au profit du coté concave.. -. Les tiges de croissance ou « growing rods » consistent en l’implantation de tiges rigides, fixées aux extrémités du segment vertébral concerné et dont le centre peut être distracté (Figure 9). Cette distraction est le plus souvent réalisée au cours d’une chirurgie de d‘allongement (2,16,19,24,30). Néanmoins, des systèmes magnétiques ont été développés afin de s’affranchir des reprises chirurgicales (31). La nécessité de réinterventions chirurgicales répétées, associées au phénomène de « diminishing return » (32) (gain de croissance rachidienne diminuant avec le nombre de réinterventions), a conduit à développer un troisième type de traitement sans-fusion utilisant des tiges coulissantes.. . .

(22) Figure 9 : Radiographie post opératoire d’une tige de croissance. Les tiges peuvent être allongées au cours de la croissance. -. Les systèmes de tiges coulissantes utilisent des tiges coulissantes au sein de vis pédiculaires. Si ces systèmes permettent de préserver une bonne croissance du rachis, de nombreux problèmes associés à des ruptures d’implant, de débris d’usure ou encore de fusions spontanées avec dégénérescence discale, limitent encore leurs utilisations (16,19,33–38).. Si les techniques dites « fusionless » préservent une partie de la croissance, elles présentent néanmoins une principale limite qui est de diminuer la mobilité du rachis. En effet, les matériaux d’instrumentation sont basés sur ceux utilisés dans les montages avec fusion, généralement le titane ou l’acier inoxydable. Leur rigidité élevée participe souvent, à court et/ou à long terme, à la diminution de la mobilité rachidienne. Cette perte de mobilité est à l’origine d’une gêne fonctionnelle pour le patient, mais également de dégénérescences discales et facettaires. De plus, des fusions spontanées du rachis, pouvant aller jusqu'à plus de 89% des cas, sont rapportées (34,39). . .

(23) Ainsi le traitement des scolioses a progressé au cours des ces dernières décennies. Néanmoins, le traitement chirurgical "idéal" n’existe pas, notamment pour la prise en charge des scolioses juvéniles. Pour cela, le développement de nouveaux dispositifs de correction est nécessaire.. Le but de notre étude est de tester in vivo un dispositif innovant de traitement de la scoliose préservant la croissance et la mobilité.. 4. Présentation du dispositif Le dispositif testé correspond à un dispositif de correction de la scoliose flexible sans fusion. Ce dispositif faisant l’objet d’un dépôt de brevet (WO 2010/046571), il est soumis à un accord de confidentialité. Par conséquent, la description de celui-ci sera sommaire. Une étude mécanique rapporté dans le travail de thèse de Mlle Sophie Lecann a été réalisée au préalable (40). Le dispositif s’apparente à un montage de tiges coulissantes. Il se compose de deux tiges flexibles en polyétheréthercétone (PEEK) de 5,5mm de diamètre coulissants au travers de vis pédiculaires. Les tiges sont reliées à la colonne vertébrale à l’aide de deux types de vis pédiculaires en titane de 4,25mm de diamètre dont la tête diffère. Certaines vis présentent une tête cylindrique au sein de laquelle un anneau coulissant peut pivoter. Cet anneau assure le glissement de la tige et joue le rôle de rotule et autorise donc à la tige quatre degrés de liberté; trois en rotation et une en translation. Ces têtes de vis joue le rôle de trou de glissement pour les tiges en leur permettant de coulisser et de pivoter le long de la colonne. . .

(24) vertébrale (Figure 10). Le second type de vis pédiculaire présente une tête classique permettant de fixer les tiges à la colonne au centre du montage. (Figure 11).. Figure 10 : Schéma de la vis pédiculaire et de sa rotule permettant le glissement et la rotation de la tige au sein de la tête de vis.. . .

(25) Figure 11 : Schématisation du montage le long de la colonne vertébrale. Les deux vis centrales en rouge verrouillent la tige à la colonne et représentent un point fixe.. La croissance et la mobilité du rachis sont préservées, à la fois par le design de ces vis de glissement mais également par le choix du matériau des tiges de correction. En effet, Le PEEK est un polymère themoplastique présentant un module de young de 3,2 GPa. Cela le rend largement plus souple que le titane dont le module de young est de 110 GPa. De plus, il est bio-inerte, hydrophobe et actuellement largement utilisé en chirurgie rachidienne (41–44). Cette souplesse des tiges doit permettre de limiter la dégénérescence discale et articulaire observée avec l’utilisation des systèmes rigides. Elle doit également de diminuer les contraintes s’exerçant sur le dispositif en se rapprochant de la rigidité de la colonne vertébrale et donc d’augmenter sa durée de vie. Le but de ce dispositif est donc de jouer le rôle de tuteur interne pour la colonne tout en permettant sa croissance et en préservant sa mobilité.. 5. Choix du modèle Afin de valider le concept de ce nouveau dispositif, une étude in vivo est nécessaire, pour cela, une phase d’implantation animale est indispensable. Notre choix s’est porté sur le porc charcutier de type Landrace. En effet, ce dernier présente de nombreux avantages dans le cadre de notre étude. Tout d’abord, nous souhaitions travailler sur un dispositif proche du modèle définitif qui sera à terme utilisé chez l’homme. Pour cela, l’utilisation d’animaux de grand format est indispensable. Parmi ces modèles de grande taille (par exemple, le mouton, la chèvre, ou le veau …), le porc présente de nombreux avantages, notamment anatomiques, pratiques et sociétaux : - la taille de son rachis, entre 1 et 5 mois, est comparable à celle d’un enfant en croissance. Ainsi, vers 4-5 mois, il présente une taille similaire à un rachis humain adulte ;. . .

(26) - Parmi les modèles grands animaux, son anatomie vertébrale est celle qui se rapproche le plus des vertèbres humaines ; - La vitesse de croissance de l’animal est rapide et importante. Ainsi, si le dispositif étudié entraîne des troubles de la croissance rachidienne, cela sera précocement mis en évidence. (45– 51). Le porc charcutier présente également de nombreux intérêts pratiques. Il est sociable, facilement disponible et peu onéreux à l’achat. Il est également sevré très jeune, environ 3 semaines, ce qui permet de disposer rapidement et donc de bénéficier d’un grand potentiel de croissance au contraire des espèces tel que la chèvre, le mouton ou le veau. Enfin, le porc est élevé en bandes. Cela permet de disposer facilement et rapidement d’animaux très proches en termes de taille et de potentiel de croissance, limitant ainsi la variabilité lors des études. Enfin, le porc est largement présent en expérimentation animale. Cela favorise donc l’acceptation par la société de son utilisation à des fins expérimentales. L’ensemble des étapes de l’étude (anesthésie, contention, soins post opératoires…) sont également facilitées étant donné que les locaux des centres d’expérimentations sont adaptés à leur hébergement et que le personnel est habitué à sa manipulation et sa surveillance. Le choix du modèle porcin a également été renforcé par le fait que notre unité de recherche a développé un modèle expérimental de scoliose chez le porc en croissance. Ce modèle, basé sur une contrainte asymétrique exercée sur le rachis, permet en 2 mois d’obtenir une déformation scoliotique régulière et reproductible. Cette déformation s’apparente, dans ses caractéristiques anatomiques, à une déformation de l’enfant (52). Ainsi, dans le but ultime d’évaluer la capacité du dispositif à corriger des déformations scoliotiques sur notre modèle, le choix du porc était évident.. . .

(27) 6. Présentation générale de l’étude Notre travail s’est décomposé en trois grandes étapes : - Tout d’abord afin d’optimiser la mise en place des implants et de connaître la croissance normale du rachis du porc, une étude morphométrique a été réalisée sur des cochons sains. Cela nous a permis de mesurer la croissance du rachis et de déterminer, chez le porc, les corridors d’implantation des vis pédiculaires indispensable à la fixation du dispositif. - Ensuite, des études biomécaniques ont été réalisées. Ces études ont eu pour but d’optimiser la fixation osseuse des vis pédiculaires, et de connaître les contraintes s’exerçant sur un rachis de porc. - Ces deux étapes ex vivo, ont permis de préparer la dernière phase du projet pour laquelle le dispositif de correction a été implanté chez 6 porcs en croissance afin d’évaluer ses conséquences sur la croissance et la mobilité rachidienne.. . .

(28) Chapitre 2: Etudes Morphométriques du Rachis du Porc en Croissance Notre étude portant sur la validation in vivo d’un dispositif de correction de la scoliose chez le porc, la connaissance de la croissance naturelle du rachis est indispensable. Or, aucune étude portant sur la croissance des éléments vertébraux du porc n’était disponible. Afin de palier à ce manque de données, nous avons choisi de décrire la croissance du rachis thoraco-lombaire et des vertèbres le composant à partir de l’étude d’images tomodensitométriques de cinq groupes de porcelets âgés de 6, 10, 14, 18 et 26 semaines ; cela afin de déterminer la cinétique de croissance du rachis thoraco-lombaire et donc de choisir la période optimale d’essai et de pouvoir anticiper la croissance moyenne au cours d’une étude. Le choix s’est porté sur ces âges car ce sont des âges clés pour les études portant sur la scoliose en humaine comme cela a été présenté dans le chapitre précédent. De la même manière, le dispositif étant fixé par des vis pédiculaires au rachis, il était important de connaître les corridors d’implantation de ces dernières chez le porc. Nous nous sommes donc également intéressés à la description des corridors d’implantation pédiculaire à partir de l’étude d’images tomodensitométriques du rachis thoraco-lombaire des cinq mêmes groupes de porcelets âgés de 6, 10, 14, 18 et 26 semaines. Cela nous a permis au cours de l’étude in vivo de maximer l’ancrage osseux des vis et de limiter les lésions iatrogènes associées à leur mise en place (effraction du canal médullaire, lésions vasculaires…). Deux études morphométriques ont été réalisées. Elles ont fait l’objet de deux articles publiés.. . .

(29) 1. Analyse tomodensitométrique de la croissance du rachidienne chez le porc. . .

(30) Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2014 Vol. 17, No. S1, 64–65, http://dx.doi.org/10.1080/10255842.2014.931126. Computed tomography morphometric analysis of porcine spinal growth for scoliosis model development P. Pillard, T. Cachon, C. Carozzo, D. Fau, T. Odent and E. Viguier* ICE (UPSP 2011.03.101), Campus ve´te´rinaire de Lyon, VetAgro Sup, Marcy l’e´toile, France Keywords: computed tomography; morphometric analysis; spine growth; scoliosis; porcine model. Downloaded by [National Inst of Intellectual Property] at 07:22 23 October 2015. 1.. Introduction. Scoliosis is a 3D deformity of the spine resulting in aesthetic and functional discomfort, sometimes leading to respiratory insufficiency due to abnormal thoracic cage development (Canavese and Dimeglio 2013). The pig appears to be a suitable animal model for early-onset scoliosis without chest wall insult (Odent et al. 2011), and for preclinical testing of fusionless scoliosis correction device (Roth et al. 2013). Such a model could be an interesting tool to study the growth process in scoliosis deformity. However, limited data are available for the size and the growth potential in the reported models (Odent et al. 2011). The purpose of this study was to define porcine spinal growth using computed tomography (CT) in order to determine spinal growth potential.. 2. Methods Piglets of different ages (6-, 10-, 14-, 18- and 26-weeksold) from the same breeder were used in this study. Five 6week-old, four 10-week-old, five 14-week-old, five 18week-old and two 26-week-old piglets, weighing on average 14.4 ^ 1.2 kg, 25.5 ^ 1.0 kg, 35.1 ^ 2.5 kg, 47.7 ^ 2.5 kg and 88.1 ^ 1.6 kg, respectively, were included in this study. The sample consisted of 452 vertebrae (326 thoracic vertebrae and 126 lumbar vertebrae) from 21 different immature thoracolumbar spines. Thoracic segments were composed of 15 (three 6week-old, two 10-week-old, three 14-week-old and two 18-week-old piglets) or 16 (two 6-week-old, two 10-weekold, two 14-week-old, three 18-week-old and two 26week-old piglets) vertebrae, and all lumbar segments were composed of six vertebrae. All piglets were free from vertebral pathology. The protocol was approved by the ethical committee and followed national guidelines. Once anaesthetised, the piglets were scanned in sternal recumbency. These images were acquired with a multi-slice helicoid scanner. Reformatted images in transversal, sagittal and dorsal. planes were available for all animals. Digital image processing software (OsiriXw) was used to review the CT images. All measurements were calculated on CT transverse and sagittal planes from the first thoracic vertebrae to the last lumbar vertebrae. Thoracic (SL-T) and lumbar spine length (SL-L) were assessed on CT sagittal plane by tracing a line joining the middle of each vertebral endplate, respectively, from the first and last thoracic vertebrae, and the first and last lumbar vertebrae. SL-T and SL-L were summed to obtain thoracolumbar spine length (SL-TL). Each vertebra was equally divided in the middle of its vertebral body section on the sagittal and transversal planes and the following measurements of thoracic and lumbar vertebrae were assessed: vertebral body length (VBL) on the sagittal plane, and vertebral body width (VBW) and height (VBH) on the transverse plane. Thoracic and lumbar vertebrae were considered separately. SL-TL, SL-T, SL-L, VBL, VBW and VBH were obtained for all piglets and expressed as mean ^ standard deviation.. 3.. Results and discussion. Spinal length growth was assessed by SL-TL, SL-T and SL-L. Data are summarised in Table 1. SL-TL, SL-T and SL-L increased, respectively, by 20.5, 14.3 and 6.2 mm/ week; 19.8, 13.8 and 6.0 mm/week; 18.0, 12.5 and 5.5 mm/ week and 15.3, 10.4 and 4.9 mm/week between 6- and 10week-old, 10- and 14-week-old, 14- and 18-week-old and 18- and 26-week-old piglets, respectively. Thoracic and lumbar vertebral body growth was assessed by VBL, VBW and VBH. Data are summarised in Table 1. Thoracic VBL, VBW and VBH increased, respectively, by 1.0 ^ 0.1, 0.6 ^ 0.1 and 0.4 ^ 0.1 mm/ week, 0.9 ^ 0.1, 0.4 ^ 0.1 and 0.3 ^ 0.1 mm/week, 0.7 ^ 0.1, 0.3 ^ 0.1 and 0.2 ^ 0.1 mm/week, 0.6 ^ 0.1, 0.1 ^ 0.1 and 0.1 ^ 0.1 mm/week between 6- and 10week-old, 10- and 14-week-old, 14- and 18-week-old and 18- and 26-week-old piglets, respectively. Lumbar VBL, VBW and VBH increased, respectively, by 1.1 ^ 0.1,. *Corresponding author. Email: [email protected] q 2014 Taylor & Francis. . .

(31) Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering Table 1.. Spinal length growth (SL-TL, SL-T and SL-L) and vertebral body growth (VBL, VBW and VBH). Spinal length (cm). 6-week-old. 10-week-old. 14-week-old. 18-week-old. Downloaded by [National Inst of Intellectual Property] at 07:22 23 October 2015. 26-week-old. . 65. SL-TL SL-T SL-L SL-TL SL-T SL-L SL-TL SL-T SL-L SL-TL SL-T SL-L SL-TL SL-T SL-L. Thoracic vertebrae (mm). Mean. SD. Range. 38.7 26.7 12.0 46.9 32.4 14.5 54.8 37.9 16.9 62.0 42.9 19.1 74.2 51.2 23.0. ^ 1.7 ^ 1.2 ^ 0.8 ^ 2.0 ^ 1.8 ^ 1.8 ^ 1.0 ^ 1.3 ^ 0.8 ^ 2.6 ^ 2.4 ^ 1.0 ^ 2.8 ^ 1.7 ^ 1.5. 36.8-41.1 25.5-28.1 11.2-13.0 45.8-49.9 31.1-35.0 13.8-15.0 53.6-55.4 36.9-39.7 15.3-17.5 58.4-65.8 39.4-45.7 18.4-20.0 71.9-76.5 49.9-52.4 21.9-24.0. VBL VBW VBH VBL VBW VBH VBL VBW VBH VBL VBW VBH VBL VBW VBH. Lumbar vertebrae (mm). Mean. SD. Range. Mean. SD. Range. 15.4 16.6 125 19.0 19.1 14.0 22.4 20.6 15.3 24.7 21.6 163 29.4 22.2 17.3. ^ 1.5 ^ 1.9 ^ 0.8 ^ 1.4 ^ 1.8 ^ 0.8 ^ 1.5 ^ 1.9 ^ 0.8 ^ 1.7 ^ 2.2 ^ 1.0 ^ 2.3 ^ 2.1 ^ 1.0. 11.9-18.6 14.0-24.2 11.3-14.2 16.1-22.1 17.0-26.2 13.1-15.2 19.2-25.2 18.4-28.5 14.5-16.7 20.6-28.7 18.4-32.2 14.9-18.0 25.2-34.8 19.8-30.9 15.6-19.9. 17.8 18.9 13.8 22.2 21.4 155 25.9 23.3 16.8 29.5 24.5 17.8 34.9 255 19.7. ^ 1.2 ^ 2.3 ^ 1.2 ^ 1.0 ^ 1.9 ^ 1.4 ^ 1.0 ^ 2.1 ^ 1.6 ^ 1.3 ^ 2.3 ^ 1.9 ^ 1.9 ^ 2.4 ^ 1.9. 15.6-20.3 15.4-24.3 11.2-15.5 20.4-23.9 18.3-27.9 12.8-17.9 24.2-27.5 19.9-30.0 13.2-19.1 26.4-32.8 20.4-32.2 14.7-21.5 31.8-37.9 21.6-33.7 15.9-21.5. The pig appears to be the most suitable animal species for preclinical testing of scoliosis correction technique because of its cost, sociability and large growth potential (Odent et al. 2011; Roth et al. 2013). From an anatomical point of view, the vertebrae and thorax shape of the Landrace pigs are close to human morphology (Odent et al. 2011; Roth et al. 2013). A critical point of this study would be the use of piglets of different age. For cost reasons, use of the same group was not possible, but it would have been better for the growth studies. Figure 1. Thoracic VBL (a), VBW (b) and VBH (c), and lumbar VBL (d), VBW (e) and VBH (f) growth curves.. 0.7 ^ 0.1 and 0.4 ^ 0.1 mm/week, 0.9 ^ 0.1, 0.4 ^ 0.1 and 0.4 ^ 0.1 mm/week, 0.8 ^ 0.1, 0.3 ^ 0.1 and 0.2 ^ 0.1 mm/week, 0.7 ^ 0.1, 0.1 ^ 0.1 and 0.2 ^ 0.1 mm/week between 6- and 10-week-old, 10- and 14week-old, 14- and 18-week-old and 18- and 26-week-old piglets, respectively. According to the growth curves (Figure 1), all thoracic and lumbar vertebrae contribute equally to spinal length, width and height growth. Vertebral body growth appears to be high between the 6th and 14th week with maximal growth between the 6th and 10th week, and seems to decrease progressively after the 14th week. In regards to spinal growth, Odent et al. (2011) performed a preparatory study lasting six months in two Landrace pigs. They concluded that the relative spinal growth decreases exponentially and the experimental study had to be performed as early as possible (Odent et al. 2011). Moreover, they found that individual VBL contribution to the overall spine length is independent and stable during growth (Odent et al. 2011), as found in this study.. 4. Conclusions All thoracic and lumbar vertebrae contribute equally to spinal length, width and height growth. Useful spinal and vertebral body growth information for porcine model scoliosis study could be extracted from this study, in order to predict growth and choose correct implant sizes. Further studies will be necessary to improve our knowledge in the structures responsible for growth and spinal mobility.. Acknowledgements We thank ICE research unit for the funding and Voxcan.. References Canavese F, Dimeglio A. 2013. Normal and abnormal spine and thoracic cage development. World J Orthop. 4:167 –174. Odent T, Cachon T, Peultier B, Gournay J, Jolivet E, Elie C, Abdoul H, Viguier E. 2011. Porcine model of early onset scoliosis based on animal growth. Eur Spine J. 20 (11):1869– 1876. Roth AK, Bogie R, Jacobs E. 2013. Large animal models in fusionless scoliosis correction research. Spine J. 13 (6):675 – 688.. .

(32) 2. Description des corridors d’implantation des vis pédiculaires thoracolombaire chez le porc en croissance. . .

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(34) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. the most common type of scoliosis [1]. For many years, the standard surgical treatment when bracing was not sufficient has been spinal fusion to achieve an acute and stable correction of the spine. However, several issues, such as reduced mobility, reduced thoracic cage volume, reduced stature and the crankshaft phenomenon, are observed with these types of treatments in young patients. Therefore, to avoid these complications, surgical techniques and implants are being developed to achieve scoliosis correction without fusion of the spine. The goal of these fusionless surgeries is to control the deformity in all three dimensions while preserving the growth of the spine [2, 3]. Because there are no reported spontaneous animal models of scoliosis, scoliosis animal models have been developed and reported in the literature [4]. The induction of scoliosis-like deformities has been described in small species such as rabbits, chickens and rats as well as in large animals such as pigs, cows, goats and sheep. Numerous prenatal, systemic, or local surgical procedures are needed to create experimental scoliosis within these animal species. Because of their size, large-animal models are more suitable than small-animal models for the development of new corrective devices. Among the large-animal models, domestic pigs appear to be one of the most suitable species for preclinical testing [5–8] because their spines have a similar size and shape as the human spine and because of their growth potential and early weaning. Finally, domestic pigs are readily available, inexpensive, easy to handle and well accepted as an ethical animal model [4, 9, 10]. In most cases, spinal implant fixation [6–8] is performed with pedicular screws. Pedicular screws are the strongest means of fixation of the growing rod in pigs [11]. As in humans, the size and position of the screw should be adapted to the vertebra to avoid violation of the vertebral canal during screw insertion and to limit screw pull out during the postoperative period. However, the pedicle of the porcine vertebra is not as well defined and not as large as the pedicle of the human vertebra. Therefore, the position of the screw should be adapted to the pig and not merely transposed based on the literature on humans. The purpose of this study is to determine the characteristics of the optimum implantation corridors for pedicular screws in the thoracolumbar spine of piglets of different ages using computed tomography (CT) and to determine the size and length of these corridors in pigs of different ages.. Materials and methods This study was approved by the ethical committee of VetAgro-Sup. CT scans on immature French Landrace pigs, performed for other experimental studies unrelated to this study, were reviewed. All pigs were from the same breeders and free of vertebral pathology. Spinal CT scans of pigs from T1 to S1 were included in this study and were separated into five groups by age as follows: 6, 10, 14, 18, and 26 weeks. For each group mean was respectively 14.4 kg (± 1.2) (6 weeks group), 25.5 kg (± 1.0) (10 weeks group), 35.1 kg (± 1.4) (14 weeks group), 47.7 kg (± 1.8) (18 weeks groups) and 88.1 kg (± 1.6) (26 weeks group). Pigs were positioned in dorsal recumbency as straight as possible. CT scans were performed on a multi-detector-row helical CT unit (General Electrics 1 BRIGHTSPEED 16 ELITE). The technical settings were 120 kV and 150 mA, and the pitch of 1 slice thickness was 0.625 mm. CT images were reconstructed using multi-planar reconstruction in the transverse and sagittal planes with a specific digital imaging software (Osirix 1). Transverse images were reconstructed parallel to the cranial endplate of the vertebral body, whereas the sagittal images were reconstructed at the midsagittal plane of the vertebra. The window width and level settings were standardised for all measurements (window width, 2000 Hounsfield units; window level, 500 Hounsfield units). All measurements were performed with this software.. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 2 / 10. .

(35) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. Fig 1. Anatomic specimen of the lumbar spine of a pig showing the entry point as described by McLain [12]. The entry point (*) was selected at the base of the cranial articular process of each vertebra immediately dorsal to the transverse process. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857.g001. The implantation corridor for the pedicular screw was determined with a dorsal approach of the spine. As described by McLain [12], the entry point was selected at the base of the cranial articular process of each vertebra immediately dorsal to the transverse process (Fig 1). For each pedicle, three measurements (PW, PL, PAL) were performed on a transverse plane. The pedicle width (PW) was defined as the narrowest part of the pedicle and was measured from the inner cortex. The narrowest part was subjectively defined by observer for each pedicle. The pedicle axis length (PAL) was defined as the length of a line bisecting the PW line starting from the base of the pedicle to the end of the vertebral body. The pedicle angle (PA) was defined as the angle between the PAL line and a line transecting the spinous process and ventral vertebral process (Fig 2). For each pig, the length of the thoracic spine (SL-T) and the length of lumbar spine (SL-L) was measured. The length of the thoracolumbar spine (SL-TL) was determined by the sum of the thoracic spine length and the lumbar spine length.. Statistical analysis For the assessment of the intra-observer reliability, five pigs were randomly selected and measurements were performed three times by the same observer for those pigs. An intraclass correlation coefficient (ICC) was then determined for the PA, PAL and PW. A non-parametric. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 3 / 10. .

(36) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. Fig 2. Description of the pedicle measurement in a third lumbar vertebra of 10-week-old pigs. The pedicle width (PW) is defined as the narrowest part of the pedicle (dotted line). The pedicle axis length (PAL) is defined as the length of a line bisecting the PW line starting from the base of the pedicle to the end the vertebral body (dashed line). The pedicle angle (PA) is defined as the angle between the PAL line and a line transecting the spinous process and the ventral vertebral process (black angle). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857.g002. Wilcoxon test (p value<0.05) was used to compare each vertebra for the characteristics of the left and the right pedicles. With the same test, the PA angle was compared for each age group. Finally, a Mann-Witney test was used to compare the PAL and PW of thoracic and lumbar vertebrae pedicles. Statistical analyses were performed with a dedicated software program (XLSTAT 1).. Results CT scans from 21 pigs were used in this study. The numbers of pigs for each age group are reported in Table 1. A total of 452 vertebrae were analysed. All of the pigs got 6 lumbar vertebrae whereas 10 pigs got 15 thoracic vertebra and 11 pigs got 16 thoracic vertebrae. Therefore, a total of 326 thoracic vertebrae and 126 lumbar vertebrae were included in the study. In Table 1, the mean and standard deviation of the CT measurements of the pedicle and spinal length are presented for the different ages. Pedicles are statistically larger but not longer for the lumbar vertebrae. An important variation of the PA is observed along the spine. In all pigs, an abrupt modification of the PA between T10 and T11 was observed. In pigs, the T11 vertebrae corresponds to the anticlinal vertebra (Fig 3) which is the vertebra for which the spinous process is nearly perpendicular to the vertebral body. No significant difference was found for the PAs of the different age groups. Therefore, the PAs did not change during the growth of the pigs.. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 4 / 10. .

(37) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. Table 1. Mean and standard deviation of the CT measurements of the pedicle. (PW = pedicle pedicle width, PAL = pedicle axis length, PA = pedicle angle). PIGLETS 6-week-old. 10-week-old. 14-week-old. 18-week-old. 26-week-old. Weight (kg). 14.4 ( 1.2). 25.5 ( 1.0). 35.1 ( 1.4). 47.7 ( 1.8). 88.1 ( 1.6). SL-TL (cm). 38.7 ( 1.7). 46.9 ( 1.9). 54.8 (0.8). 62 (2.6). 74.2 (3.1). SL-T (cm). 26.7 ( 1.1). 32.4 (1.8). 37.9 (1.2). 42.9 (2.4). 51.2 (1.8). SL-L (cm). 12 ( 0.6). 14.5 (0.5). 16.9 (0.9). 19.1 (0.6). 23 (1.5). PA (˚). PAL (mm). PW (˚). PA (˚). PAL (mm). PW (˚). PA (˚). PAL (mm). PW (˚). PA (˚). PAL (mm). PW (˚). PA (˚). PAL (mm). PW (˚). T1. 30.7 0.4. 20.1 0.3. 6.4 0.1. 31.3 0.3. 23.7 1.5. 7.9 0.2. 30.8 0.4. 26.3 0.8. 8.7 0.2. 31.2 0.6. 28.2 1.8. 9.1 0.2. 30.9 0.3. 30.0 0.2. 9.6 0.4. T2. 20.6 0.5. 20.7 0.5. 5.9 0.1. 21.0 0.2. 24.3 1.6. 7.5 0.2. 21.2 0.8. 27.0 0.9. 8.3 0.2. 20.8 0.6. 28.8 2.1. 8.7 0.1. 21.1 0.3. 30.4 0.2. 9.1 0.4. T3-T10. 15.4 0.8. 22.7 0.9. 5.3 0.3. 15.3 0.9. 26.4 2.0. 6.7 0.4. 15.2 0.8. 28.8 0.7. 7.6 0.3. 15.2 0.7. 30.2 2.0. 8.1 0.4. 15.2 0.7. 32.1 0.6. 8.4 0.4. T11. 19.6 1.6. 22.6 0.6. 5.9 0.3. 19.5 1.1. 26.0 2.3. 7.6 0.2. 19.6 1.3. 28.4 0.4. 8.3 0.1. 19.9 0.3. 29.7 1.9. 8.6 0.3. 20.3 0.3. 31.3 0.2. 9.1 0.4. T12. 28.5 0.4. 22.1 0.6. 6.3 0.2. 28.9 0.5. 25.8 2.1. 7.9 0.2. 28.7 0.3. 28.0 0.3. 8.5 0.1. 29.2 0.4. 29.3 1.8. 8.9 0.2. 28.7 0.4. 31.0 0.2. 9.3 0.4. T13-T16. 31.9 1.0. 21.3 0.6. 6.9 0.3. 31.9 0.8. 24.9 1.3. 8.3 0.3. 31.5 0.9. 27.4 0.4. 9.0 0.2. 31.3 0.9. 29.1 1.9. 9.3 0.3. 32.0 0.6. 30.6 0.5. 9.8 0.4. L1-L4. 32.5 1.9. 23.1 0.6. 6.6 0.3. 32.3 1.4. 26.6 0.7. 8.0 0.3. 32.10.7. 28.6 0.5. 8.7 0.3. 32.3 0.3. 29.9 2.0. 9.1 0.4. 32.8 0.4. 31.7 0.5. 9.5 0.3. L5. 38.3 0.5. 21.9 0.6. 6.3 0.2. 38.0 0.7. 25.5 0.2. 7.9 0.3. 37.7 1.4. 27.8 0.3. 8.6 0.3. 37.8 1.4. 29.0 1.9. 9.0 0.4. 37.3 0.2. 30.8 0.7. 9.3 0.3. L6. 41.9 1.3. 21.0 0.4. 6.7 0.2. 41.7 0.4. 24.9 0.3. 8.1 0.3. 42.4 1.1. 27.2 0.4. 8.8 0.3. 42.5 2.4. 28.4 2.1. 9.3 0.4. 42.4 0.6. 29.9 0.8. 9.6 0.3. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857.t001. The growth of the pedicle over time is reported in Table 2. The growth of the pedicle was maximal between the sixth and tenth weeks and then decreased slowly over time. No significant difference was observed between the left and right pedicles. The ICC was 0.87 (0.80–0.94) for the PA, 0.86 (0.80–0.89) for the PAL and 0.89 (0.81–0.94) for the PW.. Discussion Pigs are one of the most representative animal models for spinal research, particularly for scoliosis [4, 9, 10, 12]. The implantation of pedicular screws is particularly difficult in young pigs because of their size and the quality of the bone. Morphometric data on pig pedicles are important to improving the planning of experimental studies and facilitating surgery using pedicular screws. This phase of planning is important for preventing perioperative accidents and limiting postoperative complications. From an ethical viewpoint, such planning reduces the use of live animals during an experimental study, which clearly complies with the current recommendation in experimental studies known as the rules of the 3Rs. [13]. Therefore, the present study provides valuable CT reference values for the safe implantation corridors for pedicular screws in the porcine thoracolumbar spine. In humans, the pedicular screw is a commonly used surgical procedure to correct spinal deformity or instability caused by scoliosis, tumours or fractures. A pedicular screw with. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 5 / 10. .

(38) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. Fig 3. Evolution of the pedicle angle along the thoracolumbar spine of the pig. An abrupt modification of the PA between T10 and T11 vertebra was observed, which corresponds to the anticlinal vertebra, which is the vertebra for which the spinous process is nearly perpendicular to the vertebral body. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857.g003. connecting rods provides the secure stabilisation of all 3 columns of the spine. A pedicle screw placed perfectly in the vertebral pedicle has better contact with the cortical bone and stronger fixation. The vertebral pedicle also represents a stronger site for screw placement than the vertebral body because the pedicle trabeculae and cortex are thicker and stronger than those in Table 2. Growth of the pedicle over time. (PW = pedicle pedicle width, PAL = pedicle axis length, PA = pedicle angle, SD = standard deviation). Pedicle Growth (mm/week) Thoracic segment Growth period. Lumbar segment. Mean. SD. Min-Max. Mean. SD. Min-Max. 0.90. 0.06. 0.84–0.97. 0.86. 0.05. 0.83–0.98. 6th-10th week. PAL PW. 0.38. 0.02. 0.32–0.43. 0.36. 0.04. 0.34–0.41. 14th-10th week. PAL. 0.61. 0.06. 0.51–0.71. 0.53. 0.05. 0.46–0.61. PW. 0.20. 0.04. 0.15–0.27. 0.16. 0.02. 0.14–0.18. 14th-18th week. PAL. 0.39. 0.05. 0.34–0.49. 0.33. 0.03. 0.30–0.38. PW. 0.11. 0.02. 0.08–0.13. 0.10. 0.02. 0.08–0.12. PAL. 0.21. 0.03. 0.16–0.26. 0.22. 0.02. 0.19–0.24. PW. 0.05. 0.02. 0.03–0.07. 0.05. 0.01. 0.04–0.06. 18th-26th week https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857.t002. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 6 / 10. .

(39) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. the vertebral body [14–17]. The pig is a well-accepted model for research on scoliosis, and pedicular screws are frequently used in these studies [4, 6–8, 10, 18]. The main factors that influence primary pedicular screw stability are the size of the screw, position of the screw and bone density [19]. Although bone density is not under the surgeon’s control, the size and position of the screw are. Therefore, knowledge of pedicular anatomy is critical when using a pedicular screw. The selected entry point of the pedicle is based not only on an anatomic description of the L4 vertebra [12] but also on the surgeon’s personal experience of the insertion of a pedicle screw in the pig spine. This entry point is easily exposed and located via a dorsal approach. Thus, this entry point is a suitable site for the implantation of a pedicular screw. Several other studies have been performed on porcine spine morphometry [12, 20]. However, Busschner reported only on the morphometry of 4-month-old pigs [20] and McLain described only the L4 vertebra of 60 kg pigs [12]. To our knowledge, this is the first report of the pedicle implantation corridor in very young pigs for all thoracolumbar vertebrae. Information about the pedicle anatomy young pigs is of interest because several studies have reported the use of very young pigs to benefit from the growing potential of the pigs. For example, Odent [7] and Fekete [7, 18] used pigs between 4 and 6 weeks of age. A comparison of our results with the literature indicates that a similar size and angulation were found for pigs of a similar age. As described by Busschner and McLain, we found that between 4 and 5 months old, the pig pedicle width is similar to that of the human pedicle. Therefore, pigs are an interesting model for studies on pedicle screws [12, 20] and spinal fixation with pedicle screws. Based on current recommendations, the ideal pedicle screw size should be 80% or less than the size of the pedicle [15, 16]. Therefore, the current study should be used as a guide to select the correct screw size when using pigs as a model for transpedicular fixation research. For example, pedicular screws used in the lumbar vertebra of 10-week-old pigs should not be larger than 6.5 mm; however, in paediatric patients, oversized screws up to 115% of the inside pedicle diameter may be used without causing a significant decrease in the holding power of the screw because of the plasticity of the pedicular cortex [15, 16]. Notably, the PW increased from the cranial to caudal axis. Therefore, the pedicular screw size may be larger in lumbar vertebrae than thoracic vertebrae, and the holding power of screws in the lumbar vertebrae would then be superior to those in the thoracic vertebrae. These conclusions are consistent with a recent study on screw pull-out strength in pigs, which demonstrated that a pedicular screw in the lumbar vertebrae (L1 to L5) has better holding power than a screw in the thoracic vertebrae (T5-T9) [21]. To our knowledge, this is the first report of pedicle characteristics in pigs. Information about these pedicle dimensions is of interest for the correct selection of screw length. In humans, the recommended pedicle screw length is no more than 70% of the length of the pedicle to avoid perforation of the transcortex of the vertebrae by the screws and injury to vital structures [15–17]. However, Le Cann showed that in immature pigs, a bicortical pedicle screw is stronger than a monocortical screw [21]. When working on young piglets, a screw length of a least the PAL should be used if bicortical anchorage is required by the surgeon. As in humans, the pedicle angle changes along the porcine spine (Fig 2). We found comparable pedicle angles to those reported in the literature [12, 20]. The pedicle angle does not change during growth of the spine. It is important to respect the pedicle angle during screw insertion to avoid misplacement of the screw. Poor screw positioning may lead to spinal violation and potentially severe neurological lesion if the screw insertion angle is more oblique than the pedicle angle. By contrast, if the screw insertion angle is straighter, this could lead to poor bone anchoring, which may lead to screw loosening during the post-operative period. The. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 7 / 10. .

(40) Safe corridor for the implantation of pedicle screws in growing pigs. pedicle angle reported in this study is for the optimal insertion angle of the screw. However, because the screw diameter is smaller than the pedicle width, a few degrees of variation of the insertion angle are acceptable. In humans, Roy-Camille recommended that the pedicle screw be inserted in a straight (vertical) direction [22, 23]. Others propose that a more oblique trajectory is safer and allows for a better bone purchase [24, 25]. However, a biomechanical study shows that straight screw insertion in the lumbar vertebrae results in a more stable pedicle-screw construct than the angle screw insertion technique [26]. As shown in our study, the pig pedicle angle is more oblique than the human angle. Therefore, using a straight screw insertion technique could lead to a high misplacement rate in pigs and an oblique trajectory should be used. This conclusion was also reported for sheep [13]. In human being to get a correct bone cortical trajectory of the pedicle screw, the sagital or cephalad angle of insertion is important respect. In pigs, as the pedicle is not clearly define as in human being, the sagital angle of the pedicle corridor is not easily determined on pigs. Indeed, The screw is more more a vertebral body screw rather than a pedicle screw as in human. Thus, we beleive that a trajectory perpendicular to the sagital plane (sagital angle of 0˚) is needed in pig. There are several limitations of our study. First, different piglets were used in each group and there were few piglets per group; therefore, the growth of the pedicle should be considered with caution. However, because heavy selection pressure is applied in pig breeding, pigs from the same breeder are similar and few anatomic variations should be observed. In our study, all pigs were from the same breeder, and this study is thus a good approximation of pedicle growth. In the same way, only one breed of pigs were used in this study. Thus, transposition of those measurements to other breeds should be made with caution. Nevertheless we believe that those guidelines could be used in breeds close the landrace such as other Landrace pigs or Large White. Second, this study is not a direct anatomic study. Measurements were performed on CT scans, which may lead to some approximation in the measurements. This technique was selected because CT is a non-invasive imaging modality and is a well-accepted method to assess spinal and vertebral morphometry in vivo. CT has been widely used in both humans and animal models [13, 27, 28]. The CT scan parameters (slice thickness, pitch, and window width) used in this study follow the recommendations for orthopaedics studies and are consistent with published spinal CT imaging protocols. Third, as CT scan used in this study were not injected and some of them were performed on dead animal, we were not able to determine the distance between vital structures, such as aorta or caudal vena cava, and the vertebra. Thus we were not able to give any recommendation to avoid iatrogenic damage to those vessels when using bicortical screws. Finally, these corridors of implantation were only described in normal pigs. In scoliotic deformity models, several deformities of the spine are observed. These deformities may impact the pedicle morphometry and modify the implantation corridors described here. In humans, length asymmetry of the pedicle is reported in scoliotic vertebrae. The pedicle of the concave side is shorter and wider than that of the contralateral side [29, 30]. This asymmetry was not reported in a porcine scoliosis model, perhaps because in humans, pedicle asymmetry is only reported in severe scoliosis and appears later during the scoliosis deformation process. Interestingly, in a study on pedicle morphometry in scoliotic patients, the pedicle entry point and orientation relative to the vertebra were not affected by the deformities. However, as the position of the vertebra is highly affected by the spinal deformities, the pedicle orientation is changed along the spine, such that when the three-dimensional location of the vertebra is known, the entry point and pedicle screw orientation are the same as in a normal vertebra [29]. Similar modifications should be considered in a porcine scoliosis model, and this should be noted when using pedicle screws in scoliosis deformity models.. PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184857 October 23, 2017. . 8 / 10. .