Etude et optimisation d'un procédé innovant de cyphoplastie : la technique SpineJack®
- Bolzinger, Florent (2012)
Thèse de doctorat
- Type de document
- Thèse de doctorat
- Diffusion
- Accès libre
- Titre
- Etude et optimisation d'un procédé innovant de cyphoplastie : la technique SpineJack®
- Auteur
- Bolzinger, Florent
- Directeur de thèse
- Swider, Pascal
- Date de soutenance
- 2012-06-27
- École doctorale
- Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
- Structure de recherche
- Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), UMR 5502
- Discipline
- Biomécanique
- Sujet
- Généralites en Sciences
- Résumé en français
- Le rachis, constitué d'un empilement de vertèbres et de disques reliés par des ligaments et des muscles, est le support du corps humain. Il permet le maintien d'une posture, autorise des mouvements, et assure la protection de la moelle épinière. Les vertèbres, véritables briques du rachis, sont constituées d'un réseau d'os trabéculaire léger entouré d'os cortical compact, plus résistant. Cette structure est en constante évolution et s'adapte pour supporter au mieux les contraintes physiologiques rencontrées. La pathologie la plus répandue au niveau du rachis est la fracture vertébrale. En plus d'être douloureuse, celle-ci modifie la répartition des charges le long du rachis, ce qui a pour effet d'augmenter la cyphose du patient et d'accroitre le risque de fracture. La plupart du temps, les fractures vertébrales sont dues à l'ostéoporose et interviennent chez les personnes âgées, mais elles peuvent aussi être d'origine traumatique ou dues à une tumeur. Il existe plusieurs classifications pour les fractures vertébrales, les plus utilisées étant celles de Magerl et de Genant. Le plus souvent, les fractures vertébrales sont de type "Wedge" et interviennent à la jonction thoraco-lombaire. Plusieurs traitements sont disponibles. Le traitement conservateur consiste en un alitement associé à la prise d'antalgiques, et parfois à la pose d'un corset. Le traitement par chirurgie ouverte est réalisé par la pose de tiges et de vis sur les vertèbres adjacentes pour redresser et stabiliser la fracture. Plus récemment, des solutions mini-invasives sont apparues. La vertébroplastie consiste en l'injection de ciment acrylique dans le corps vertébral pour le stabiliser. Une amélioration de cette technique, appelée cyphoplastie, permets de restaurer la hauteur vertébrale perdue lors de la fracture. Ces techniques ont montré de bons résultats cliniques sur la douleur. Toutefois, les complications possibles sont les fuites de ciment hors du corps vertébral, les fractures adjacentes, ou encore la recompression de la vertèbre suite à la restauration de sa hauteur. Le système SpineJack®, développé et commercialisé par la société Vexim, est un dispositif de cyphoplastie. Insérés au nombre de deux dans un corps vertébral fracturé, ces implants en titane se déploient en exerçant une force cranio-caudale, permettant de restaurer la hauteur du corps vertébral perdue lors de la fracture. La vertèbre est ensuite stabilisée dans cette position en y injectant du ciment acrylique. Dans un premier temps, le comportement intrinsèque du SpineJack® a été étudié. Un modèle analytique ainsi qu'un modèle numérique du SpineJack® ont été réalisés pour étudier les transferts de forces au sein de l'implant pendant son expansion. Ces modèles ont ensuite été combinés en un modèle semi-analytique. Ils ont ainsi permis d'établir des relations entre l'ouverture de l'implant, sa force de poussée (charge appliquée par l'os s'opposant à son ouverture) et la force nécessaire dans la tige du porte implant pour réaliser l'expansion. Les résultats obtenus avec ces modèles ont ensuite été validés par phase expérimentale. Des dipositifs SpineJack®, associés à une instrumentation de la tige du porte-implant, ont été déployés sous machines de test. La force dans la tige, l'ouverture du SpineJack® et la force de poussée ont pu être enregistrées simultanément et corrélées. Les résultats obtenus ont été similaires aux résultats des modélisations réalisées précédemment. Un modèle mathématique permettant de calculer la poussée de l'implant en fonction de la force dans la tige et de son déplacement a été établi, et des mesures de poussée en conditions réelles ont été réalisées sur des spécimens cadavériques. Ces modèles et expériences ont permis de mettre en évidence la nécessité d'une grande force dans la tige au début du déploiement de l'implant, même en cas de faible poussée. Nous nous sommes ensuite intéressés aux résultats de la technique SpineJack® lors de la pose d'un implant sur une vertèbre ex-vivo. Les résultats ont été mesurés en termes de restauration de la hauteur vertébrale perdue lors de la fracture et du maintien de cette hauteur. Des tests biomécaniques ont été réalisés : des vertèbres cadavériques ont été fracturées en appliquant une force grâce à une machine de test en compression, puis restaurées en utilisant différents dispositifs et en injectant différentes quantités de ciment, et enfin recompressées sous une machine de test en compression dynamique. A chaque étape, la réalisation de CT-scans a permis de mesurer la hauteur vertébrale. Les tests biomécaniques réalisés précédemment n'étant pas parfaitement représentatifs du comportement in-vivo, nous nous sommes ensuite intéressés aux résultats obtenus lors des études cliniques réalisées par Vexim, en étudiant l'influence de paramètres cliniques sur la restauration et la recompression de la hauteur vertébrale. Les tests biomécaniques ont prouvé la supériorité de l'implant SpineJack® sur le dispositif de cyphoplastie par ballonnet traditionnel en termes de restauration de la hauteur vertébrale. De plus, les essais biomécaniques et cliniques ont souligné l'influence des paramètres intrinsèques à la fracture sur les possibilités de restauration. Ces tests ont également permis d'identifier le risque de recompression ultérieure de la vertèbre. La quantité de ciment injectée et le schéma de pénétration du ciment dans la vertèbre se sont avérés être des facteurs influents sur la recompression.
- Résumé en anglais
- The spine, consisting of vertebras and discs connected by ligaments and muscles, is the support of the human body. It allows the maintenance of posture, authorizes movements, and protects the spinal cord. The vertebras, which can be assimilated as spinal bricks, are made of a network of light trabecular bone surrounded by compact cortical bone, more resistant. This structure is constantly evolving to better withstand the physiological stresses encountered. The most common spinal pathology is the vertebral fracture. It is painful and it modifies the load distribution along the spine, which increases the patient's kyphosis and extends the risk of additional fracture. In most cases, vertebral fractures occur in the elderly because of osteoporosis, but they can also be caused by trauma or due to a tumor. There are several classifications for vertebral fractures. The most frequently used are those of Magerl and Genant. In most cases, vertebral fractures are "Wedge" type, and occur in the thoraco-lumbar junction. Several treatments are available. Conservative treatment consists in bed rest associated with painkillers, and sometimes in wearing a corset. Treatment by open surgery is performed by placing rods and screws on the adjacent vertebras to straighten and stabilize the fracture. More recently, minimally invasive solutions have emerged. Vertebroplasty involves the injection of acrylic cement into the vertebral body to stabilize it. An improvement of this technique, called kyphoplasty, allows restoration of the vertebral height lost during the fracture. These techniques have shown good clinical results in pain reduction. However, sometimes complications occur, such as leakage of cement outside the vertebral body, adjacent fractures or recompression of the restored vertebra. The SpineJack® system is a kyphoplasty device developed and marketed by Vexim Company. Two titanium implants are inserted in a fractured vertebral body. Then, they are deployed, applying a cranio-caudal force between the vertebral plates allowing the restoration of vertebral body height lost during the fracture. The vertebra is then stabilized in this position thanks to an acrylic cement injection. Initially, the intrinsic behavior of SpineJack® was investigated. An analytical model and a numerical model of the SpineJack® implant were developed to study the forces transfer within the implant during its expansion. These models were then combined into a semi-analytical model. They allowed the definition of relationships. Between the opening of the implant, the pushing force (load applied by the bone opposed to the implant expansion) and the force required inside the rod of the implant-expander to perform the expansion. The results obtained with these models were then validated in an experimental phase. SpineJack implants were deployed under testing machines using strain gages instrumented implant-holders. The force inside the rod, the opening of SpineJack® and the pushing force were simultaneously recorded and then correlated. The results were similar to those obtained with the previous models. A mathematical model to compute the implant pushing force according to the strength in the rod and its displacement was established, and pushing force measurements in real conditions were performed on cadavers. These models and experiments highlighted the high necessary forces in the rod at the beginning of the implant opening, even if the pushing force stays low. Afterward, we investigated the results of the SpineJack® technique after the instrumentation of an ex-vivo vertebra. The results were measured in terms of restoration of the vertebral height lost during the fracture and long term preservation of that height. Biomechanical tests were performed : cadaveric vertebras were fractured by applying a force with a compression testing machine. Then, they were restored using different kyphoplasty devices and injecting different amounts of cement. Finally, they were recompresssed under a dynamic compression testing machine. At each step, CT-scan were performed and used to measure vertebral height. The previous biomechanical tests were not perfectly representative of the in-vivo behavior. Therefore, we investigated the Vexim clinical studies results, looking at the influence of clinical parameters on the restoration and recompression of vertebral height. Biomechanical tests have shown the superiority of the SpineJack® device on the traditionnal kyphoplasty balloon in terms of restoration of vertebral height. Moreover, biomechanical tests and clinical studies have demonstrated the influence of fracture parameters on the restoration possibilities. These tests also allowed the identification of the risk of subsequent recompression of the vertebra. The amount of injected cement and the cement penetration pattern into the vertebra were found to be influential parameters on recompression.
- Numéro national de thèse
- 2012TOU30361
- Date de publication
- 2022-06-16T10:26:40
Citation bibliographique
Bolzinger, Florent (2012), Etude et optimisation d'un procédé innovant de cyphoplastie : la technique SpineJack® [Thèse de doctorat]