WO2019102123A1 - Method for evaluating the maximum pull-out resistance of an anchoring screw implanted in a vertebra - Google Patents
Method for evaluating the maximum pull-out resistance of an anchoring screw implanted in a vertebra Download PDFInfo
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Definitions
- the field of the invention is that of the evaluation of parameters of the planning of a spinal surgery for the implantation of an anchoring screw system in one or more vertebrae, in a manner specific to the patient.
- the invention relates to the estimation of the maximum tensile strength of one or more anchoring screws implanted in a vertebra.
- anchoring screws can be implanted in anchoring sites of the vertebrae of a patient during the execution of a surgical act.
- the correction of scoliosis curvatures in an adult may require surgical treatment by posterior fusion of the spine by means of instrumentation to obtain derotation of pathological curvatures and permanent stabilization of the spine.
- This instrumentation can comprise, inter alia, anchoring screws called “pedicle screws”, as well as rods intended to connect the anchoring screws by their heads, the rods being dimensioned and bent to exert when they are secured with screws a mechanical action on the patient's column to correct the pathological spinal curvature (s) of the patient.
- the anchoring screws are implanted in the anchoring sites of the vertebrae of the patient, then the rods are coupled to the screws on each side of the vertebrae, the rods being optionally coupled to each other thereafter to better rigidify the system.
- surgeons also evaluate the overall strength of the assembly by referring to the recommendations and the average values of tensile strength of anchor screws in vertebras published in the scientific medical press.
- the surgeons plan the vertebrae to implant. Surgeons also plan the deformities they intend to apply to the stems to change the position of each pathological vertebral stage. They may possibly use vertebral osteotomy angle corrections.
- these indicative values may not reflect the local influence on the anchoring of the screws, the distribution of degradation of the mechanical properties of the vertebrae which have a decreased overall bone quality or pathological.
- Standard treatment includes in particular a number of screws directly related to the number of vertebrae included between the upper and lower vertebral levels healthy bordering the pathological deformations, this without presuming a possibly lower holding vertebral anchors.
- the invention aims to provide a method for evaluating the maximum tear resistance without irreducible displacement that each anchor screw is capable of supporting, when it is implanted as part of a treatment standard in a particular anchoring site of a determined vertebra of a patient, according to the principles of a surgical technique of reference.
- the invention which relates to a method of evaluation of maximum forces of tearing resistance (FA) of an anchor screw for a determined vertebra (VD) in which the anchoring screw is capable of being implanted according to the principles of a given insertion technique, comprising successively:
- an imaging reference system including unit density data (du) as well as their spatial coordinates for at least one control vertebra with at least one non-invasive medical imaging (Tl) technique;
- step (a) defining at least one volume of interest (VI) in each control vertebra (VT) using the imaging reference acquired in step (a);
- At least one conversion function comprising at least one average density of interest (MD) variable calculated for each control vertebra (VT),
- step (a) g. acquisition for a determined vertebra (DV) of a patient, an imaging repository similarly to step (a);
- step (c) transposition of step (c) to the determined vertebra (VD);
- step (d) transposing step (d) to the results of step (h); j. applying a conversion function defined in step (e) to the average densities (DM) from step (i) to obtain a score; k. obtaining an estimate of a maximum pulling force (FA) per application to the score obtained in step 0 of the regression function associated with the conversion function of step 0.
- FA maximum pulling force
- the method according to the invention makes it possible to obtain at least one estimate of the maximum force of tearing resistance (FA) and its statistical indicators of margin of error.
- This estimated force (FA) corresponds to the limit value beyond which the anchor screw could begin to move irreversibly out of its insertion site in a vertebra in which it would be implanted.
- step (b) it is preferentially a maximum force of resistance to experimental tearing in the axis of insertion of the screw (FAE X ), determined on the force / displacement curve recorded during each test, in the upper limit of elastic deformation, therefore without irreversible displacement of the screw in this axis.
- the anchor screw meets the precise parameters defined by an industrial (materials, length, diameter, thread, ).
- the method can be repeated for anchor screws of different design.
- the characteristics of the anchor screw and the principles of the surgical insertion technique are the same for the control vertebrae (VT) and the determined vertebra (VD).
- VT control vertebra
- sites of implantation for example a pedicular aiming on the right and left of the vertebra.
- Unit densities (du), for estimating the mechanical properties of vertebrae insertion sites determined in the patient (VD), are acquired by or less than one medical imaging modality (Tl). Then, thanks to the positioning of the volumes of interest (VI) and the determination of their average density of interest (DM), and possibly other variables such as morphological parameters or bone texture index acquired at the steps ( a) and (g).
- the term "density" evoked without adjective refers to vertebral bone density.
- the method according to the invention allows to take into account these global or localized density deficits (DM) to a particular volume of interest (VI), an anatomical volume for example.
- the volume or volumes of interest (VI) determined for a control vertebra or vertebra determined may be anatomical, geometric, or deduced from the theoretical trajectory of the screws in the vertebra according to the surgical technique retained, or further deduced from morphological parameters of the vertebra, or be a combination of these parameters.
- cortical bone can be distinguished from cancellous bone (also called trabecular bone).
- the cortical area can also be subdivided, for example, into quadrants (lateral, medial, superior, inferior).
- An anatomical volume of interest (VI) corresponds, for example, to the anterior vertebral body or to the vertebral pedicles.
- the volumes of interest (VI) are defined by the spatial coordinates of their contours for each control vertebra or vertebra determined.
- other morphological variables eg length and diameter of the pedicle
- biomechanical parameters of stress resistance of a vertebra depend on several factors (geometrical, global density, cortical density or its approximation by the cortico-subcortical density, spongy density, thickness of spans and density of the trabecular network of the vertebra). spongy bone).
- the method according to the invention thus has the advantage of taking into account the main parameters for the biomechanical resistance: the average density of interest (MD) of the cortical zone and / or spongy bone of one or more volumes of 'interest (VI), and possibly other variables such as morphological parameters or bone matrix texture index of the vertebra.
- MD average density of interest
- VI volumes of 'interest
- control vertebrae come from deceased donors (specimens) chosen so that their clinical characteristics are representative of the population of patients for whom implantation of anchor screws is planned.
- control spines can be taken from specimens with non-modifiable risk factors for osteoporosis.
- Synthetic substitutes can also be used, all the more so if they succeed in reproducing the relevant parameters of vertebrae of biological origin of the targeted population (morphology of a typical vertebra, average densities of the zones reproducing the cortical bone and cancellous bone, reproduction of a trabecular structure in cancellous bone ).
- step (f) are statistically representative for the same level of the vertebra determined (VD) and for the same target patient population.
- mechanical tearing tests must respect the validity thresholds of a repeatability protocol.
- step (f) at least one mathematical function called conversion function (Fconv) is defined, having as variable one or more average bone densities (DM) attributed to the volumes of interest (VI) of each control vertebra (VT). ), and possibly other variables such as morphological parameters or bone frame texture index available thanks to the data acquired in step (a). It is now possible to calculate a correlation between the mathematical images (I) of these conversion functions (Fconv) for each control vertebra (VT) and the maximum experimental resistance to tearing forces (FA EX ) determined during the test. step (b).
- conversion function Fconv
- the characteristics of the regression line (s) deduced from these correlations make it possible to define as many regression functions (Freg) that can be used to estimate the maximum forces of tearing resistance (FA) for a given vertebra (VD). ). It is understood that invasive methods, such as that used in step (b), are either unthinkable for a patient, or are not recommended to evaluate the behavior of screws in the vertebra determined (VD), for example biopsies bone.
- the method according to the invention has the advantage of contributing to the decision-making process of the operator by providing him with encrypted, factual, relevant and patient-specific information items, derived from the biomechanical properties located for each of the vertebrae of the patient (VD). , to better estimate the risk of performing standard surgery in terms of intraoperative mechanical complications, or even failure.
- an anchor screw implanted in a vertebra with a normal bone density can withstand greater stresses than an anchor screw implanted in a vertebra that has a decreased bone density or pathological.
- the quantified estimates provided (FA) by the method allow the operator to better evaluate whether the standard number of vertebral stages to be implanted is sufficient to to guarantee the stability of the assembly, or if it is probable that we should resort to solutions of circumvention of the deficit of bone density which could involve an over-risk of morbi-mortality for this patient for the same objective of treatment.
- the method provides the practitioner with information to better secure the planning of surgical procedures by identifying with a lower margin of error the risk of intraoperative mechanical complications for a given patient, and by resorting to other treatments only if the standard treatment only seems too risky for the success of the intervention.
- the imaging data is obtained by one of the following techniques:
- X-ray computed tomography X-ray double-energy X-ray stereo-x-ray and absorptiometry
- X-ray volumetric bi-photon absorptiometry alone provide density measurements. units (of) as well as their spatial coordinates in vertebral volume (3D).
- an imaging technique intended to obtain only planar density data (2D) it is possible to couple an imaging technique making it possible to obtain 3D geometry data.
- an imaging technique making it possible to obtain 3D geometry data.
- step (c) and / or step (h) comprise a substep of segmentation by clipping the bone boundaries of the vertebrae on images acquired by the one or more techniques of imaging (Tl).
- the step of positioning volumes of interest (VI) in the images of the vertebrae (VT) in step (c) (as in step (g), VD) comprises a sub-component.
- vertebral segmentation step extraction of specific data (from) to a vertebra from all the data acquired for the spine) by definition of the bone contours (trimming) of each of the control vertebrae (VT) on images acquired by the modality (s) 3D imaging (Tl).
- vertebral segmentation (s) are performed on sectional planes acquired by the 3D (Tl) imaging technique.
- the substep of segmentation makes it possible to define the outer bony envelope of each control vertebra (VT) by recomposition from the cutouts on the cuts.
- the segmentation sub-step also makes it possible to directly cut off particular zones which, assembled on all or part of the sections, form one or more specific volumes (VI).
- This segmentation can be manual, automatic with adapted software, semi-automatic by integrating a human correction.
- This segmentation can also consist of the recording of spatial coordinates of points, lines, planes or remarkable volumes making it possible to reconstitute the volumes of interest (VI) by means of an algorithm.
- step (c) and / or (g) comprise a sub-step of excluding non-bone tissue or pathological bone reconstructions.
- This sub-step exclusion can advantageously be performed during the segmentation of the vertebra (VT or VD) or directly volumes (VI) that we want to constitute.
- Strict trimming during segmentation eliminates pathological bone reconstructions. For example, areas of osteophytosis are excluded. These are defined quality criteria for bone densitometry by bi-photon absorptiometry.
- step (c) and / or step (h) are performed by adapting the shape of a generic numerical model (5), comprising predefined volumes of interest (VI), to the form or vertebrae obtained during the substep of segmentation or as a function of marks recorded directly during the substep of segmentation of the control vertebrae or vertebrae determined.
- a generic numerical model (5) comprising predefined volumes of interest (VI)
- the definition of at least one volume of interest (VI), and possibly the taking of morphological measurements, is carried out by adapting, possibly using an algorithm, a generic numerical model containing volumes of interest. (VI) types in the coordinate coordinate system of this numerical model. This model can be adapted by conforming these volumes of interest (VI) to the outer envelopes of the vertebrae (VT or VD) obtained during the substep of segmentation or according to markers recorded during this same substep.
- step (e) for determining at least one regression function comprises:
- At least one conversion function comprising as variable at least one average density of interest (MD) for each control vertebra (VT);
- step (b) a sub-step of correlating said mathematical images (I) of each conversion function (Fconv) with the maximum tensile strengths (FAE X ) measured in step (b);
- the conversion function (Fconv) may correspond to a linear combination of one or more variables of average interest density (MD).
- MD variables of average interest density
- the densities of the volumes of interest (DM) can undergo transformations to linearize them (logarithmic function, exponential, polynomial, ...) in the conversion function (Fconv).
- the conversion function (Fconv) may include morphological parameters such as the length of the anterior vertebral body or vertebral pedicles, in order to take into account the theoretical effects of a screw of the largest diameter and the greatest possible length. ; the estimation of these parameters on the forces (FA) is obtained by a complementary statistical analysis of the data obtained in the steps (a) to (d).
- the sub-step of defining the regression function (Freg) can also be obtained by using a multilinear correlation.
- Y corresponds to the evaluation of the maximum force of pulling force (FA) of the anchoring screw in a determined vertebra (VD) that one wishes to estimate;
- X corresponds to the mathematical image (I) of the conversion function (Fconv) for the parameters of the determined vertebra (VD);
- the regression function (Freg) corresponds to a more complex polynomial than that of the preceding example.
- the step (e) of determining at least one conversion function (Fconv) comprises a final sub-step of pre-selecting one or more conversion functions (Fconv).
- the step (e) of determining one or more conversion functions (Fconv) that can be used in clinical routine requires a substep of selection of conversion functions (Fconv) that lead to statistically acceptable results. This can also reduce the list of explored interest volumes (VIs) to only those volumes (VIs) necessary and sufficient to obtain the pre-selected conversion functions (Fconv).
- This substep of selection of relevant conversion functions (Fconv) is advantageously performed according to statistical criteria: the final sub-step of selection is performed according to selection criteria which comprise, for each regression function, a coefficient of determination (R 2 ), and a standard error estimation value (SEE) of the linear correlation of each score with the maximum experimental tearing resistance forces (FA EX ) on the control vertebrae (VT).
- selection criteria comprise, for each regression function, a coefficient of determination (R 2 ), and a standard error estimation value (SEE) of the linear correlation of each score with the maximum experimental tearing resistance forces (FA EX ) on the control vertebrae (VT).
- the coefficient of determination (R 2 ) is used to measure the performance of the prediction allowed by the linear fit and the standard error of estimate (SEE) is a measure of the variability of the data points of both sides. other of the regression line.
- the selection criteria may also incorporate other calculations of the performance of the prediction allowed by the adjustment.
- the application criteria can also include clinical, practical, financial implementation constraints, due to the time required to the realization of the method (VI), due to the technical limitations of the medical imaging systems used (Tl). These criteria must also take into account the case where particular areas of a specific vertebra (VD) could be unusable. For example, if one of the pedicles has impairments such that it is not implantable, the conversion functions (Fconv) having as variable the density of the two pedicles (DM) no longer make sense for this determined vertebra (VD). It will then be necessary to retain only the conversion functions (Fconv) having as variable the density of only one of the pedicles (DM).
- Figure 1 is a schematic representation of the evaluation method according to the invention.
- FIG. 2 is an illustration according to an axial sectional view of a vertebra with a pedicle screw inserted to the left in the pedicle and the anterior body, and a delimitation on the section of a volume of interest (VI) in the pedicle. to the right ;
- Figure 3 is an illustration of a generic digital vertebra model.
- the subject of the invention is a method for estimating maximum pulling force (FA) forces of a particular anchor screw model in an implantation site chosen for a determined vertebra (VD) according to the principles of a given insertion technique.
- FA maximum pulling force
- the anchoring screw is in particular a pedicle screw.
- FIG. 2 shows the implantation of an anchoring screw 3 into a vertebra 1 by a path passing through the middle of the vertical and horizontal sections of the left vertebral pedicle 4 to terminate in the anterior body of the vertebra 2. The trajectory is oblique. If two screws are implanted, their respective longitudinal axes converge towards the points of the screws.
- the method according to the invention comprises a succession of steps, of which a first part is carried out on control vertebrae (VT), and a second part is performed for at least one determined vertebra of a patient (VD) for at least one Insertion site given according to the principles of a given surgical technique.
- VT control vertebrae
- VD patient
- Insertion site given according to the principles of a given surgical technique.
- control vertebrae are preferably cadaveric, as detailed later, or synthetic.
- Vl [1] constituted by the volume of the anterior vertebral body
- Vl [2] constituted by the volumes of the two pedicles.
- unit density data (du) as well as their spatial coordinates for control spines by at least one non-invasive medical imaging technique (T1) for identifying a subset of at least one unit density (of the ) and its spatial coordinates for each control vertebra (VT), the set of unit density data (du) measured for each control spine is [1], [2], ..., [z] , "Z" being the maximum number of measurements allowed by the resolution of the imaging system, a subset of these data (du) is occupied by the bone volume of each control vertebra ⁇ VT [1], VT [2] , ..., VT [6] ⁇ ;
- [5] [1] and [5] [z]] donor unit spine unit data the subset of the data unit (s) of [1] [ai], [1] [a 2 ], ..., [1] [a n ] ⁇ being assigned to volume Vl [1] of control vertebra VT [1] ] of lumbar level L4 of the donor d, ie Vl [1] [1],
- the first part of the method further comprises the following steps:
- VT The control vertebrae
- FEE X maximum experimental tearing strengths
- one way to obtain consistent information on bone densities is to select donors with no apparent surgical history (or dissection) of the spine, no spinal deformities, and excluding imaging and surgical dissection vertebrae presenting signs of pathologies such as cancers, bone metastases, angiomas and those with signs or sequelae of fractures.
- the use of cadaveric vertebrae makes it possible to have donor Vertebrae (VT) which have the most clinical similarities for their bone quality with the patient population for which the vertebrae (VD) are likely to be implanted by screws. anchor.
- the cadaveric vertebrae (VT) also contain a trabecular micro-structure not available in commercial synthetic foams.
- step (a) of acquisition of at least one unitary density data (du) by imaging (Tl) an acquisition of a clinical imaging (Tl) producing a 3D geometry of the unit bone densities (of the ) control vertebrae (VT).
- the imaging data (s) are obtained by one of the following clinical imaging techniques (Tl):
- unitary data sets (du) for imaging all the vertebrae (VT) by projecting the planes of the unit volumes determining unit densities (du), these sets are called slices.
- These unit volumes, according to the modalities used preferentially (Tl), called voxels, are set during the acquisition of the data (of) in step (a).
- Each voxel is assigned a gray level value according to the tissue densities and a calibration of the imaging system by a calibration phantom or by direct equivalence by imaging a calibration phantom at the same time as the spines.
- the unit densities (of) measured are convertible into weight equivalence expressed in grams of hydroxyapatite equivalent per mm 3 (g (HA) .mnr 3 ).
- step (c) of definition for each control vertebra (VT) of the volumes of interest (VI) comprises:
- VT segmentation of the vertebra
- VI volume of interest
- the substep of segmentation makes it possible to delimit the external bone envelope of the vertebra (VT), or directly of the volumes of interest (VI) in the vertebra (VT).
- the sub-step of clipping also makes it possible to perform the sub-step of excluding zones of pathological bone reconstructions. It excludes osteophytes, osteoarthritic excrescences peripheral to the cortical bone which do not contribute to the mechanical qualities of the bone of the vertebra (VT).
- This exclusion also makes it possible not to distort bone densities (MD) by excluding non-bone areas that are of lower densities (soft tissues, intervertebral disks, cartilage) and artificially reduce the average density of interest (MD) of the zone. that one studies without contributing to the biomechanical properties of the vertebral bone (FA EX ).
- step (b) of the mechanical tearing tests comprises:
- a sub-step of implantation of the anchoring screws in an insertion site defines in an identical manner for all the control vertebrae (VT) and according to the principles of the selected insertion surgical technique; - a substep of tearing all the anchor screws in the control vertebrae (VT), and obtaining the maximum tensile strengths experimental experimental FAE X [1], FAE X [2], ..., FAE X [6] ⁇ on the Force / Displacement curves of each test.
- each control vertebra Prior to the implantation sub-step, a surgical preparation of each control vertebra (VT) is carried out in order to eliminate all the soft tissues and the intervertebral discs and the anchoring screws are inserted according to the principles of the surgical technique. retained insertion (oblique transpedicular trajectory, bicortical ).
- the vertebrae (VT) thus prepared are included in a synthetic cement and presented in the desired tear axis on the test bench.
- X-rays can be taken to check the positional compliance of the anchor screws in the vertebrae (VT) against the principles of the selected reference surgical technique.
- the mechanical test can be performed with a combination of traction axes, and may optionally include mechanical fatigue cycles to simulate longer-term postoperative degradation of the deterioration of the screw strength if one wants to obtain longer-term evaluations.
- a volume (VI) is identified that can be anatomical, geometric, derived from morphological parameters of the vertebra, or be a combination of these definitions.
- a volume of interest may correspond to the trabecular area of the anterior body of a vertebra or to a cylinder contained in this zone.
- a volume of interest (VI) approximating the entire pedicle (4) is represented on the image of the vertebra 1.
- a volume of interest (VI) can be approximated or refined by another new volume (VI).
- This new volume of interest (VI) could consist of a cylindrical or oval volume included within the limits of the pedicle, passing right through it into the largest possible diameter, then developing longitudinally along the major axis of the pedicle, and circular shape, in the anterior vertebral body, defining a trajectory called "oblique trans-pedicular pathway".
- This kind of volume (VI) makes it possible to better reflect the densities of the various anatomical zones (VI) traversed by the screws inserted in step (b) and makes it possible to better determine in step (g) the parameters of a screw maximum diameter and maximum length, without causing cortical break-in at the insertion, likely to get the best hold (FA).
- V definitions can be introduced that reduce segmentation efforts, which can be compared with the performance of their conversion function (Fconv) against defined volumes (VIs) with complete rigorous segmentation and clipping.
- volume of interest (VI) are selected that are whole (cortical and cancellous bone). ), or partial (cortical bone, cancellous or cortical-subcortical), or volumes (VI) whose cortical-subcortical zone is excluded.
- the cortical-subcortical is composed of the cortical bone and an additional margin of spongy bone in continuity of a fixed thickness. This thickness can be defined separately for the cortex of the pedicle or of another part such as the anterior vertebral body.
- the cortical bone tissue is sometimes less than the spatial resolution of the clinical imaging systems (T1), which is a source of error. Consequently, based more on the cortical bone but on a cortico-subcortical zone, the systematic error of the determination of this cortical zone due to the artificial decrease of the unit densities of the corticals whose Unit volumes may include some of the lower density tissue lining the outside of the cortex on one side (soft tissue, osteophytes) and / or cancellous bone on the inner side of the cortex, with spongy bone being less dense than the cortical bone in the healthy subject.
- This artifact due to the resolution of imaging systems (Tl) is known in clinical radiology as "partial volumes".
- This step (c) of delimitation of at least one volume of interest (VI) can be performed by adapting the definition parameters of a generic digital model comprising typical interest volumes (VI) in this generic reference frame, for conform to the limits of the outer envelope of the vertebrae (VT or VD) and / or marks obtained during the substep segmentation.
- This model makes it possible to directly transpose predefined interest volumes (VI), identified on the generic numerical model and to obtain morphological measurements, for example by an algorithm.
- FIG. 1 Such a generic numerical model representing an axial section of a typical vertebra is represented by FIG.
- the volumes of interest (VI) predefined types in this model are also deformed by fitting on predetermined morphological variables of a vertebra type to the actual variables measured, or thanks to markings defined on the vertebrae (VT or VD).
- the weight equivalents of each voxel in a volume of interest (VI) are calculated (by to its value of gray level which can be transformed into density and weight according to a method well known in the art previous), then the average density of interest (MD) is calculated from the volume of interest (VI) and from the sum of the weight equivalents of each voxel.
- This step (d) of determining the average density of interest (MD) can for example be performed using one of the methods derived from the mathematical theory of Gaussian quadrature to pass from the volume of the subset of the voxels to that of the volume of interest (VI).
- the determination step (e) preferably comprises, for at least one regression function (Frég):
- each conversion function including as variables one or more average interest densities (MD) and possibly other morphological parameters and index parameters.
- MD average interest densities
- bone structure texture allows for the same parameters calculated in step (g) for a determined vertebra (VD), and transformed by the same conversion functions (Fconv), to obtain the estimate of maximum forces of Custom tear resistance (FA).
- the average interest densities (MD) of the selected interest volumes (VI), and possibly other morphological parameters or bone frame texture indices are combined, which may correspond, for example , to the following formula:
- the definition parameters of the regression line make it possible to obtain, from the images (I) of the conversion function (Fconv) applied to the parameters (DM) of the determined vertebra (VD), an estimation of the force maximum tear resistance (FA).
- the definition of the parameters of the regression function (Freg) corresponds to the values (slope + value at the origin) of the linear regression line.
- Y is the estimate of the maximum pull-out force (FA) of the anchor screw in a determined vertebra (VD) that is desired;
- X is the value of the conversion function (Fconv) for the determined vertebra data (VD);
- the average interest densities can undergo transforms to linearize (logarithmic function, exponential, polynomial, ).
- step (e) comprises a final sub-step of selecting the maximum pull-out force (FA) estimates for a specific vertebra insertion site (VD).
- This final sub-step of selection is performed according to criteria which comprise, for each correlation, a coefficient of determination (R 2 ) and / or a standard error estimation value (SEE).
- R 2 coefficient of determination
- SEE standard error estimation value
- selection criteria may also include other process use constraints: technological, practical, financial, time spent on the process, limitations of the clinical imaging system used, and ease or reproducibility. the placement of the volumes of interest (VI) or other criteria measured in a clinical study.
- VD vertebra
- L4 unit density data
- Tl imaging technique
- VD determined vertebra
- the imaging technique (s) (Tl) are the same for the determined vertebra (VD) as those used for the imaging data acquisition step for the control vertebrae (VT).
- the transposition step for the determined vertebra (VD) also comprises:
- VD vertebral segmentation
- VI directly volumes of interest
- the step of transposition of the second part of the process can be carried out by deforming a generic numerical model describing these two typical interest volumes (VI) for conforming to the determined vertebra (VD);
- FA maximum force of tearing resistance
- the operator obtains an evaluation of the force corresponding to the maximum force of tearing resistance (FA) most relevant for an insertion site in this determined vertebra (VD), assuming each time that the same vertebral level was validated during steps (a) to (e).
- FA maximum force of tearing resistance
- the clinician can repeat the steps of the second part of the procedure for all vertebrae (VD) he wants to implant for this patient.
- the practitioner can then optionally use the values of the estimates (FA) in a numerical simulation software designed to evaluate whether the maneuvers that the surgeon wishes to achieve comply with the recommendations of the scientific medical literature.
- the evaluation method according to the invention thus makes it possible to obtain information for a specific surgical planning for a patient, making it possible to evaluate the need for the use of complementary or additional medical, surgical or radio-interventional treatments.
- the evaluation method according to the invention also makes it easy to deduce the impact on the estimation of the maximum pull-out force (FA) of a longer anchoring screw or the largest possible diameter. for the same vertebra (VD).
- the insertion lengths of the anchoring screws are measured in the control vertebrae (VT), for example in the pedicle and in the anterior body, and also the shortest distance from the outer edge of the screw to the outer edge. of the pedicle cortex.
- VT control vertebrae
- FA maximum pull-out forces
- scientific publications estimate at about 2.5 the coefficient to be applied to the forces (FA) obtained by a conventional method of insertion, compared to those obtained by an increase in the density of the anterior vertebral body by infiltration of polymethacrylate.
- FA maximum tensile strengths
- Variations in the density distribution (DM) between two populations whose unit data (du) are acquired in the same way in steps (a) and / or (f), as well as other parameters, can be compared to calculating the force estimates (FA) of a patient of a first population with the conversion functions (Fconv) determined for another population by adjusting for these variations of these conversion functions (Fconv).
- Obtaining intraoperative data during the actual implantation of the pedicle screws may make it possible to improve the estimates (FA) both in terms of value and in terms of statistical margins of error. For example, a clinical study of practitioners' assessments of the estimates given (FA), a post-clinical follow-up operative, or measuring the torque of force applied by the screwdriver to each of the screws inserted into the vertebrae of the patients.
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Abstract
Description
Procédé d’évaluation de la résistance maximale à l’arrachement d’une vis d’ancrage implantée dans une vertèbre Method for evaluating the maximum resistance to tearing of an anchor screw implanted in a vertebra
Le domaine de l’invention est celui de l’évaluation de paramètres de la planification d’une intervention chirurgicale rachidienne pour l’implantation d'un système de vis d’ancrage dans une ou plusieurs vertèbres, de manière spécifique au patient. The field of the invention is that of the evaluation of parameters of the planning of a spinal surgery for the implantation of an anchoring screw system in one or more vertebrae, in a manner specific to the patient.
Plus précisément, l’invention est relative à l’estimation de la force maximale de résistance à l’arrachement d’une ou plusieurs vis d’ancrage implantées dans une vertèbre. More specifically, the invention relates to the estimation of the maximum tensile strength of one or more anchoring screws implanted in a vertebra.
De manière classique, des vis d’ancrage peuvent être implantées dans des sites d'ancrage des vertèbres d’un patient lors de la réalisation d’un acte chirurgical. Conventionally, anchoring screws can be implanted in anchoring sites of the vertebrae of a patient during the execution of a surgical act.
Par exemple la correction des courbures d'une scoliose chez un adulte peut nécessiter un traitement chirurgical par fusion postérieure du rachis au moyen d'une instrumentation pour obtenir la dérotation des courbures pathologiques et la stabilisation permanente du rachis. Cette instrumentation peut comprendre, entre autres, des vis d’ancrage dites « vis pédiculaires », ainsi que des tiges destinées à relier les vis d’ancrage par leurs têtes, les tiges étant dimensionnées et cintrées pour exercer lors de leur solidarisation avec des vis une action mécanique sur la colonne du patient afin de corriger la ou des courbures rachidiennes pathologiques du patient. For example, the correction of scoliosis curvatures in an adult may require surgical treatment by posterior fusion of the spine by means of instrumentation to obtain derotation of pathological curvatures and permanent stabilization of the spine. This instrumentation can comprise, inter alia, anchoring screws called "pedicle screws", as well as rods intended to connect the anchoring screws by their heads, the rods being dimensioned and bent to exert when they are secured with screws a mechanical action on the patient's column to correct the pathological spinal curvature (s) of the patient.
Afin de procéder à la dérotation, les vis d’ancrage sont implantées dans les sites d’ancrage des vertèbres du patient, puis les tiges sont couplées aux vis de chaque côté des vertèbres, les tiges étant éventuellement couplées entre-elles par la suite pour mieux rigidifier le système. In order to derotation, the anchoring screws are implanted in the anchoring sites of the vertebrae of the patient, then the rods are coupled to the screws on each side of the vertebrae, the rods being optionally coupled to each other thereafter to better rigidify the system.
Pendant la dérotation et en post-opératoire, d’importantes contraintes mécaniques s’exercent entre les vertèbres du patient et l’instrumentation. En effet, les forces nécessaires à la correction de la scoliose et à la stabilité de la correction peuvent être relativement élevées. During the derotation and postoperatively, significant mechanical stress is exerted between the vertebrae of the patient and the instrumentation. Indeed, the forces required to correct scoliosis and the stability of the correction can be relatively high.
L’importance des forces s’exerçant sur les vertèbres et sur l’instrumentation est telle qu’il existe un risque d'instabilité du montage. The importance of the forces exerted on the vertebrae and on the instrumentation is such that there is a risk of instability of the assembly.
Plus précisément, il existe un risque de perte de tenue importante voire complète des vis d’ancrage implantées dans les vertèbres. More specifically, there is a risk of loss of significant or even complete hold anchor screws implanted in the vertebrae.
Il est essentiel d’éviter la survenue de telles pertes de tenue qui peuvent compromettre la correction désirée en per-opératoire, mais aussi mener à plus long terme à une pseudarthrose ou à un débricolage postopératoire pouvant nécessiter une reprise chirurgicale du patient. Pour planifier une intervention chirurgicale, les opérateurs se basent sur leur expérience de praticien, un examen clinique rigoureux, et des examens complémentaires d'imagerie médicale statiques et posturaux. It is essential to avoid the occurrence of such loss of posture, which may compromise the correction desired peroperatively, but also lead in the longer term to non-operative pseudarthrosis or discomfort that may require surgical revision of the patient. To plan a surgical procedure, operators rely on their experience as a practitioner, a rigorous clinical examination, and additional examinations of static and postural medical imaging.
A cet effet, les chirurgiens évaluent également la résistance globale du montage en se référant aux recommandations et aux valeurs moyennes de forces de résistance à l’arrachement de vis d'ancrage dans des vertèbres publiées dans la presse médicale scientifique. For this purpose, the surgeons also evaluate the overall strength of the assembly by referring to the recommendations and the average values of tensile strength of anchor screws in vertebras published in the scientific medical press.
Suite à ces évaluations et à l'ampleur des corrections qu'ils veulent appliquer, les chirurgiens planifient les vertèbres à implanter. Les chirurgiens planifient également, les déformations qu'ils comptent appliquer aux tiges pour modifier la position de chaque étage vertébral pathologique. Ils peuvent éventuellement avoir recours à des corrections d'angle par ostéotomie vertébrale. Following these assessments and the extent of the corrections they want to apply, the surgeons plan the vertebrae to implant. Surgeons also plan the deformities they intend to apply to the stems to change the position of each pathological vertebral stage. They may possibly use vertebral osteotomy angle corrections.
Ce type d’évaluation ne fournit néanmoins qu’une valeur indicative de la force maximale de résistance à l'arrachement que la vis d’ancrage peut supporter sans risquer une perte de tenue significative, force obtenue sauf exception en traction continue dans l'axe d'insertion des vis. This type of evaluation, however, only provides a value indicative of the maximum force of tearing resistance that the anchor screw can withstand without risking a loss of significant strength, force obtained except exception in continuous traction in the axis insertion of the screws.
De plus ces valeurs indicatives risquent de ne pas refléter l'influence locale sur l’ancrage des vis, de la distribution de la dégradation des propriétés mécaniques des vertèbres qui présentent une qualité osseuse globale diminuée ou pathologique. In addition these indicative values may not reflect the local influence on the anchoring of the screws, the distribution of degradation of the mechanical properties of the vertebrae which have a decreased overall bone quality or pathological.
Des études scientifiques récentes attestent qu'un nombre important de perte de tenue ou d'arrachement de vis d’ancrage a été observé chez les patients âgés. De plus l'incidence des pathologies rachidiennes susceptibles d'être traitées à l'aide des systèmes à base de vis croit avec l'augmentation de la survie des patients, et facteur de gravité conjugué, l'âge est également un facteur connu de dégradation des propriétés mécaniques des vertèbres. Recent scientific studies have shown that a significant number of loss of holding or tearing anchor screws has been observed in elderly patients. In addition, the incidence of spinal pathologies that can be treated using screw-based systems increases with increasing patient survival, and conjugated severity factor, age is also a known factor of deterioration. mechanical properties of the vertebrae.
Le besoin d'augmenter la tenue des vis utilisées dans ces procédures chirurgicales est abondement documenté par la littérature médicale scientifique. The need to increase the strength of the screws used in these surgical procedures is fully documented in the scientific medical literature.
Plusieurs solutions complémentaires et supplémentaires sont disponibles pour augmenter cet ancrage, et notamment : Several additional and additional solutions are available to increase this anchoring, including:
l’extension du montage à d'autres étages vertébraux, the extension of the assembly to other vertebral stages,
l'extension du montage à des vis ilio-sacrées ; the extension of the assembly to ilio-sacral screws;
l’utilisation de trajectoires d’implantation différentes pour les vis pédiculaires ; the use of different implantation trajectories for the pedicle screws;
l’utilisation de nouvelles conceptions de vis, telles que : the use of new screw designs, such as:
o des vis expansives, o des implantations à double-vis, o expansive screws, o double-screw implantations,
o des alliages métalliques différents, o different metal alloys,
o des profils de filetage différents, des vis à plusieurs types de filetage ou encore des doubles filetages, o different thread profiles, screws with several thread types or double threads,
o la polyaxialité des têtes, o the polyaxiality of the heads,
o des designs nouveaux du couplage des vis avec les tiges, o des vis coniques, o new designs of the coupling of the screws with the rods, o conical screws,
o des vis recouvertes d’hydroxyapatite, de calcium-phosphate ou présentant avec une surface à rugosité micrométrique, des techniques d'augmentation : o screws coated with hydroxyapatite, calcium-phosphate or having a surface with a micrometric roughness, increasing techniques:
o des vis canulées et perforées qui permettent l'injection de produit augmentant la densité osseuse dans la vertèbre, o Cannulated and perforated screws that allow the injection of product increasing the bone density in the vertebra,
o l'injection de produit augmentant la densité osseuse dans la trajectoire de la vis après taraudage, o the injection of product increasing the bone density in the trajectory of the screw after tapping,
o la vertébroplastie percutanée préopératoire, o preoperative percutaneous vertebroplasty,
les traitements médicamenteux de l'ostéoporose. medications for osteoporosis.
La tenue suffisante du montage ne peut cependant être conditionnée, ni même être garantie en raison de leurs risques intrinsèques, à un recours systématique à toutes ou partie de ces solutions ; ceci d'autant plus que certaines d'entre-elles comportent des effets secondaires indésirables potentiellement graves voire mortels, qui doivent être évalués spécifiquement pour un patient au titre de la balance bénéfices/risques par rapport à un traitement chirurgical de première intention, appelé ici « traitement standard ». Ce traitement standard comporte notamment un nombre de vis en rapport direct avec le nombre de vertèbres inclues entre les niveaux vertébraux supérieurs et inférieurs sains bordant les déformations pathologiques, ceci sans présumer d'une tenue possiblement moindre des ancrages vertébraux. However, sufficient assembly can not be conditioned, or even guaranteed because of their intrinsic risks, to systematic recourse to all or part of these solutions; this is especially so because some of them have potentially serious or even fatal side effects, which must be evaluated specifically for a patient under the benefit / risk balance compared to a first-line surgical treatment, called here "Standard treatment". This standard treatment includes in particular a number of screws directly related to the number of vertebrae included between the upper and lower vertebral levels healthy bordering the pathological deformations, this without presuming a possibly lower holding vertebral anchors.
En premier lieu, il est essentiel d'évaluer la faisabilité du traitement standard spécifiquement à un patient pour valider ce montage avec des marges d'erreur plus réduites, ou alors le cas échéant, pour justifier le risque supplémentaire entraîné par le recours à certains des techniques et des traitements médicaux ou chirurgicaux supplémentaires ou complémentaires visant à améliorer la tenue du montage. In the first place, it is essential to evaluate the feasibility of the standard treatment specifically to a patient to validate this setup with smaller margins of error, or if so, to justify the additional risk involved in using some of the additional or additional medical or surgical treatments and techniques to improve the erection
En conséquence, il existe un besoin pour évaluer plus spécifiquement pour un patient et avec une marge d'erreur réduite, la force à laquelle pourra être soumise chacune des vis implantées dans le cadre du traitement standard. L’invention a notamment pour objectif de pallier à ce besoin de l’art antérieur.Accordingly, there is a need to evaluate more specifically for a patient and with a reduced margin of error, the force to which each of the screws implanted as part of the standard treatment can be subjected. The invention particularly aims to overcome this need of the prior art.
Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer un procédé permettant d’évaluer la résistance maximale à l’arrachement sans déplacement irréductible que chaque vis d’ancrage est capable de supporter, lorsqu'elle serait implantée dans le cadre d'un traitement standard dans un site d'ancrage particulier d'une vertèbre déterminée d'un patient, selon les principes d'une technique chirurgicale de référence. More specifically, the invention aims to provide a method for evaluating the maximum tear resistance without irreducible displacement that each anchor screw is capable of supporting, when it is implanted as part of a treatment standard in a particular anchoring site of a determined vertebra of a patient, according to the principles of a surgical technique of reference.
Cet objectif, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet un procédé d’évaluation de forces maximales de résistance à l’arrachement (FA) d’une vis d’ancrage pour une vertèbre déterminée (VD) dans laquelle la vis d’ancrage est susceptible d’être implantée selon les principes d'une technique chirurgicale d'insertion donnée, comprenant successivement : This objective, as well as others which will appear later, are achieved thanks to the invention which relates to a method of evaluation of maximum forces of tearing resistance (FA) of an anchor screw for a determined vertebra (VD) in which the anchoring screw is capable of being implanted according to the principles of a given insertion technique, comprising successively:
a. acquisition d'un référentiel d’imagerie incluant des données unitaires de densité (du) ainsi que leurs coordonnées spatiales pour au moins une vertèbre témoin par au moins une technique d’imagerie médicale non- invasive (Tl) ; at. acquiring an imaging reference system including unit density data (du) as well as their spatial coordinates for at least one control vertebra with at least one non-invasive medical imaging (Tl) technique;
b. au moins un test mécanique de résistance à l'arrachement de la vis d’ancrage implantée dans la ou les vertèbres témoins (VT) en vue de déterminer la force maximale de résistance à l'arrachement expérimentale (FAEX) ; b. at least one mechanical tensile strength test of the anchoring screw implanted in the control vertebra (s) (VT) to determine the maximum force of resistance to experimental tearing (FA EX );
c. définition d’au moins un volume d’intérêt (VI) dans chaque vertèbre témoin (VT) grâce au référentiel d'imagerie acquis à l’étape (a) ; c. defining at least one volume of interest (VI) in each control vertebra (VT) using the imaging reference acquired in step (a);
d. calcul pour chaque volume d’intérêt (VI) de chaque vertèbre témoin (VT) d'une densité moyenne d'intérêt (DM) ; d. calculating for each volume of interest (VI) of each control vertebra (VT) of a mean density of interest (MD);
e. définition d’au moins une fonction de conversion (Fconv) comprenant au moins une variable de densité moyenne d'intérêt (DM) calculée pour chaque vertèbre témoin (VT), e. defining at least one conversion function (Fconv) comprising at least one average density of interest (MD) variable calculated for each control vertebra (VT),
f. corrélation des valeurs de chaque fonction de conversion avec des valeurs du ou des tests mécaniques en vue d’établir une fonction de régression ; f. correlating the values of each conversion function with values of the one or more mechanical tests to establish a regression function;
g. acquisition pour une vertèbre déterminée (VD) d'un patient, d'un référentiel d’imagerie de façon similaire à l'étape (a) ; g. acquisition for a determined vertebra (DV) of a patient, an imaging repository similarly to step (a);
h. transposition de l’étape (c) à la vertèbre déterminée (VD) ; h. transposition of step (c) to the determined vertebra (VD);
i. transposition de l’étape (d) aux résultats de l'étape (h) ; j . application d’une fonction de conversion définie à l’étape (e) aux densités moyennes (DM) issues de l’étape (i) pour obtenir un score ; k. obtention d’une estimation d’une force maximale d’arrachement (FA) par application au score obtenu à l’étape 0 de la fonction de régression associée la fonction de conversion de l’étape 0. i. transposing step (d) to the results of step (h); j. applying a conversion function defined in step (e) to the average densities (DM) from step (i) to obtain a score; k. obtaining an estimate of a maximum pulling force (FA) per application to the score obtained in step 0 of the regression function associated with the conversion function of step 0.
Le procédé selon l’invention permet d’obtenir au moins une estimation de force maximale de résistance à l’arrachement (FA) et ses indicateurs statistiques de marge d'erreur. Cette force estimée (FA) correspond à la valeur limite au-delà de laquelle la vis d’ancrage risquerait de commencer à se déplacer de manière irréversible hors de son site d'insertion dans une vertèbre dans laquelle elle serait implantée. The method according to the invention makes it possible to obtain at least one estimate of the maximum force of tearing resistance (FA) and its statistical indicators of margin of error. This estimated force (FA) corresponds to the limit value beyond which the anchor screw could begin to move irreversibly out of its insertion site in a vertebra in which it would be implanted.
A l'étape (b), il s’agit préférentiellement d’une force maximale de résistance à l’arrachement expérimentale dans l'axe d'insertion de la vis (FAEX), déterminée sur la courbe Force/Déplacement enregistrée lors de chaque test, dans la limite supérieure de déformation élastique, donc sans déplacement irréversible de la vis dans cet axe. In step (b), it is preferentially a maximum force of resistance to experimental tearing in the axis of insertion of the screw (FAE X ), determined on the force / displacement curve recorded during each test, in the upper limit of elastic deformation, therefore without irreversible displacement of the screw in this axis.
La vis d’ancrage répond aux paramètres précis définis par un industriel (matériaux, longueur, diamètre, filetage, ... ). Le procédé peut être répété pour des vis d’ancrages de conception différente. The anchor screw meets the precise parameters defined by an industrial (materials, length, diameter, thread, ...). The method can be repeated for anchor screws of different design.
Les caractéristiques de la vis d'ancrage et les principes de la technique d'insertion chirurgicale sont les mêmes pour les vertèbres témoins (VT) et la vertèbre déterminée (VD). The characteristics of the anchor screw and the principles of the surgical insertion technique are the same for the control vertebrae (VT) and the determined vertebra (VD).
Pour une vertèbre témoin (VT), un ou plusieurs sites d’implantation peuvent être testés (par exemple une visée pédiculaire à droite et à gauche de la vertèbre). For a control vertebra (VT), one or more sites of implantation can be tested (for example a pedicular aiming on the right and left of the vertebra).
Grâce au procédé selon l’invention, il est possible d’évaluer, avec une marge d'erreur moindre, la tenue, estimée sous la forme de la force maximale de résistance à l’arrachement (FA) d’une vis d’ancrage qui doit être implantée dans un site d'insertion d'une vertèbre (VD), par rapport à la méthode d’évaluation selon l’art antérieur. With the method according to the invention, it is possible to evaluate, with a lower margin of error, the strength, estimated in the form of the maximum force of tearing resistance (FA) of an anchor screw which must be implanted in a site of insertion of a vertebra (VD), compared to the evaluation method according to the prior art.
Des densités unitaires (du), permettant d'estimer les propriétés mécaniques des sites d'insertion de la vertèbre déterminée chez le patient (VD), sont acquises par ou moins une modalité d'imagerie médicale (Tl). Puis grâce au positionnement des volumes d’intérêt (VI) et à la détermination de leur densité moyenne d'intérêt (DM), et éventuellement d'autres variables comme des paramètres morphologiques ou d'indice de texture de trame osseuse acquises aux étapes (a) et (g ). L’expression « densité » évoquée sans adjectif désigne la densité osseuse vertébrale. Unit densities (du), for estimating the mechanical properties of vertebrae insertion sites determined in the patient (VD), are acquired by or less than one medical imaging modality (Tl). Then, thanks to the positioning of the volumes of interest (VI) and the determination of their average density of interest (DM), and possibly other variables such as morphological parameters or bone texture index acquired at the steps ( a) and (g). The term "density" evoked without adjective refers to vertebral bone density.
En conséquence, si la vertèbre déterminée (VD) présente, globalement et localement pour des volumes spécifiques (VI), des densités (DM) en deçà d’un seuil de densité normale pour une vertèbre saine, alors le procédé selon l’invention permet de prendre en compte ces déficits en densité globaux ou localisés (DM) à un volume d'intérêt particulier (VI), un volume anatomique par exemple. Consequently, if the vertebra determined (VD) has, globally and locally for specific volumes (VI), densities (DM) below a normal density threshold for a healthy vertebra, then the method according to the invention allows to take into account these global or localized density deficits (DM) to a particular volume of interest (VI), an anatomical volume for example.
L’utilisation des densités des volumes d’intérêt (VI), et éventuellement d'autres variables comme des paramètres morphologiques ou d'indice de texture de trame osseuse, diminuent la marge d'erreur de l'estimation des forces maximales de résistance à l'arrachement (FA) par le procédé selon l’invention. The use of the densities of the volumes of interest (VI), and possibly other variables such as morphological parameters or bone texture index, reduce the margin of error of the estimation of the maximum strengths of resistance. tearing (FA) by the method according to the invention.
Le ou les volumes d’intérêt (VI) déterminés pour une vertèbre témoin ou une vertèbre déterminée peuvent être anatomiques, géométriques, ou déduits de la trajectoire théorique des vis dans la vertèbre selon la technique chirurgicale retenue, ou encore déduits de paramètres morphologiques de la vertèbre, ou encore être une combinaison de ces paramètres. The volume or volumes of interest (VI) determined for a control vertebra or vertebra determined may be anatomical, geometric, or deduced from the theoretical trajectory of the screws in the vertebra according to the surgical technique retained, or further deduced from morphological parameters of the vertebra, or be a combination of these parameters.
Par exemple, pour un pédicule vertébral, on peut distinguer l'os cortical de l'os spongieux (appelé aussi os trabéculaire). La zone corticale peut aussi être subdivisée par exemple en quadrants (latéral, médial, supérieur, inférieur). For example, for a vertebral pedicle, cortical bone can be distinguished from cancellous bone (also called trabecular bone). The cortical area can also be subdivided, for example, into quadrants (lateral, medial, superior, inferior).
Un volume d’intérêt (VI) anatomique correspond, par exemple, au corps vertébral antérieur ou aux pédicules vertébraux. An anatomical volume of interest (VI) corresponds, for example, to the anterior vertebral body or to the vertebral pedicles.
On définit les volumes d’intérêt (VI) par les coordonnées spatiales de leurs contours pour chaque vertèbre témoin ou chaque vertèbre déterminée. Éventuellement, tel qu’évoqué précédemment, d'autres variables morphologiques (par exemple longueur et diamètre du pédicule) peuvent être mesurées ou déduites des données acquises à l'étape (a) comme à l'étape (g). The volumes of interest (VI) are defined by the spatial coordinates of their contours for each control vertebra or vertebra determined. Optionally, as mentioned above, other morphological variables (eg length and diameter of the pedicle) can be measured or deduced from the data acquired in step (a) as in step (g).
Les paramètres biomécaniques de résistance à une contrainte d’une vertèbre dépendent de plusieurs facteurs (géométriques, densité globale, densité corticale ou son approximation par la densité cortico-sous-corticale, densité spongieuse, épaisseur des travées et densité du réseau trabéculaire de l'os spongieux). The biomechanical parameters of stress resistance of a vertebra depend on several factors (geometrical, global density, cortical density or its approximation by the cortico-subcortical density, spongy density, thickness of spans and density of the trabecular network of the vertebra). spongy bone).
Le procédé selon l’invention a ainsi pour avantage de prendre en compte les paramètres principaux pour la résistance biomécanique : la densité moyenne d'intérêt (DM) de la zone corticale et/ou de l'os spongieux d'un ou plusieurs volumes d’intérêt (VI), et éventuellement d'autres variables comme des paramètres morphologiques ou d'indice de texture de trame osseuse de la vertèbre. The method according to the invention thus has the advantage of taking into account the main parameters for the biomechanical resistance: the average density of interest (MD) of the cortical zone and / or spongy bone of one or more volumes of 'interest (VI), and possibly other variables such as morphological parameters or bone matrix texture index of the vertebra.
Les vertèbres témoins (VT) proviennent de donneurs décédés (spécimens) choisis pour que leurs caractéristiques cliniques soient représentatives de la population des patients pour lesquels on planifie l'implantation de vis d’ancrage. Par exemple les rachis témoins peuvent être prélevés sur des spécimens présentant des facteurs de risque non modifiables d'ostéoporose. The control vertebrae (VT) come from deceased donors (specimens) chosen so that their clinical characteristics are representative of the population of patients for whom implantation of anchor screws is planned. For example, control spines can be taken from specimens with non-modifiable risk factors for osteoporosis.
Des substituts synthétiques peuvent également être utilisés, ceci d'autant mieux s’ils arrivent à reproduire les paramètres pertinents de vertèbres d’origine biologique de la population ciblée (morphologie d'une vertèbre type, densités moyennes des zones reproduisant l'os cortical et l'os spongieux, reproduction d'une structure trabéculaire dans l'os spongieux...). Synthetic substitutes can also be used, all the more so if they succeed in reproducing the relevant parameters of vertebrae of biological origin of the targeted population (morphology of a typical vertebra, average densities of the zones reproducing the cortical bone and cancellous bone, reproduction of a trabecular structure in cancellous bone ...).
Bien entendu, plus le nombre de mesures (FAEx) sur des vertèbres témoins (VT) pour un même niveau vertébral est élevé, et plus les résultats obtenus lors de l’étape (f) sont statistiquement représentatifs pour le même niveau de la vertèbre déterminée (VD) et pour la même population de patients visée. De même, pour des vertèbres synthétiques, les tests arrachements mécaniques doivent respecter les seuils de validité d'un protocole de répétabilité. Of course, the more the number of measurements (FA Ex ) on vertebrae controls (VT) for the same vertebral level is high, and the results obtained in step (f) are statistically representative for the same level of the vertebra determined (VD) and for the same target patient population. Similarly, for synthetic vertebrae, mechanical tearing tests must respect the validity thresholds of a repeatability protocol.
Lors de l’étape (f), on définit au moins une fonction mathématique appelée fonction de conversion (Fconv) ayant comme variable une ou plusieurs densités osseuses moyennes (DM) attribuées aux volumes d’intérêt (VI) de chaque vertèbre témoin (VT), et éventuellement d'autres variables comme des paramètres morphologiques ou d'indice de texture de trame osseuse disponibles grâce aux données acquises à l'étape (a). Il est désormais possible de calculer une corrélation entre les images mathématiques (I) de ces fonctions de conversion (Fconv) pour chaque vertèbre témoin (VT) et les forces maximales de résistance à l’arrachement expérimentales (FAEX) déterminées lors de l’étape (b). Les caractéristiques de la ou des droites de régression déduites de ces corrélations permettent de définir autant de fonctions de régression (Frég) qui pourront être utilisées pour l'estimation des forces maximales de résistance à l'arrachement (FA) pour une vertèbre déterminée (VD). Il est bien entendu que des méthodes invasives, comme celle utilisée à l'étape (b), sont soit impensables pour un patient, soit ne sont pas recommandées pour évaluer les tenues des vis dans la vertèbre déterminée (VD), par exemple des biopsies osseuses. Le procédé selon l’invention a pour avantage de contribuer aux processus décisionnel de l'opérateur en lui fournissant des éléments d'information chiffrés, factuels, pertinents et spécifiques au patient, dérivées des propriétés biomécaniques localisées pour chacune des vertèbres du patient (VD), afin de mieux estimer le risque de la mise en œuvre d'une chirurgie standard en termes de complications mécaniques peropératoires, voire d'échec. During step (f), at least one mathematical function called conversion function (Fconv) is defined, having as variable one or more average bone densities (DM) attributed to the volumes of interest (VI) of each control vertebra (VT). ), and possibly other variables such as morphological parameters or bone frame texture index available thanks to the data acquired in step (a). It is now possible to calculate a correlation between the mathematical images (I) of these conversion functions (Fconv) for each control vertebra (VT) and the maximum experimental resistance to tearing forces (FA EX ) determined during the test. step (b). The characteristics of the regression line (s) deduced from these correlations make it possible to define as many regression functions (Freg) that can be used to estimate the maximum forces of tearing resistance (FA) for a given vertebra (VD). ). It is understood that invasive methods, such as that used in step (b), are either unthinkable for a patient, or are not recommended to evaluate the behavior of screws in the vertebra determined (VD), for example biopsies bone. The method according to the invention has the advantage of contributing to the decision-making process of the operator by providing him with encrypted, factual, relevant and patient-specific information items, derived from the biomechanical properties located for each of the vertebrae of the patient (VD). , to better estimate the risk of performing standard surgery in terms of intraoperative mechanical complications, or even failure.
En effet, une vis d’ancrage implantée dans une vertèbre avec une densité osseuse normale peut supporter des contraintes plus importantes qu’une vis d’ancrage implantée dans une vertèbre qui présente une densité osseuse diminuée ou pathologique. Indeed, an anchor screw implanted in a vertebra with a normal bone density can withstand greater stresses than an anchor screw implanted in a vertebra that has a decreased bone density or pathological.
En conséquence, spécifiquement au patient, et selon l'application classique d'une technique chirurgicale donnée, les estimations chiffrées fournies (FA) par le procédé permettent à l'opérateur de mieux évaluer si le nombre standard d'étages vertébraux à implanter suffit à garantir la stabilité du montage, ou s'il est probable qu'il faille recourir à des solutions de contournement du déficit de densité osseuse qui pourraient comporter un sur-risque de morbi-mortalité pour ce patient pour le même objectif de traitement. Consequently, specifically to the patient, and according to the conventional application of a given surgical technique, the quantified estimates provided (FA) by the method allow the operator to better evaluate whether the standard number of vertebral stages to be implanted is sufficient to to guarantee the stability of the assembly, or if it is probable that we should resort to solutions of circumvention of the deficit of bone density which could involve an over-risk of morbi-mortality for this patient for the same objective of treatment.
Le procédé offre au praticien des informations pour mieux sécuriser la planification des actes chirurgicaux en cernant avec une marge d'erreur moindre les risques de complications mécaniques peropératoires pour un patient donné, et en ne faisant appel à d'autres traitements que si le traitement standard seul parait trop risqué pour le succès de l'intervention. The method provides the practitioner with information to better secure the planning of surgical procedures by identifying with a lower margin of error the risk of intraoperative mechanical complications for a given patient, and by resorting to other treatments only if the standard treatment only seems too risky for the success of the intervention.
Préférentiellement, la ou les données d’imagerie sont obtenues par l’une des techniques suivantes : Preferably, the imaging data is obtained by one of the following techniques:
tomodensitométrie à rayons X ; X-ray computed tomography;
- stéréo-radiographie et absorptiométrie bi-planaire en double énergie à rayons X ; - X-ray stereo-x-ray and dual-energy x-ray absorptiometry;
absorptiométrie bi-photonique planaire à rayons X ; planar bi-photonic x-ray absorptiometry;
- absorptiométrie bi-photonique volumétrique à rayons X. - X-ray volumetric bi-photonic absorptiometry.
Ces techniques d’imageries, avec chacune leurs spécificités (disponibilité, dose d'irradiation délivrée, résolution spatiale... ), permettent d’obtenir des données de densité unitaires (du) pour les vertèbres. These imaging techniques, each with their specificities (availability, irradiation dose delivered, spatial resolution, etc.), make it possible to obtain unit density data (du) for the vertebrae.
Les techniques de tomodensitométrie à rayons X, de stéréo-radiographie et absorptiométrie bi-planaire en double énergie à rayons X et d’absorptiométrie bi- photonique volumétrique à rayons X permettent à elles seules d’obtenir les densités unitaires (du) ainsi que leurs coordonnées spatiales dans le volume des vertèbres (3D). X-ray computed tomography, X-ray double-energy X-ray stereo-x-ray and absorptiometry, and X-ray volumetric bi-photon absorptiometry alone provide density measurements. units (of) as well as their spatial coordinates in vertebral volume (3D).
De manière complémentaire à une technique d’imagerie destinée à obtenir seulement une donnée de densité planaire (2D), il est possible de coupler une technique d'imagerie permettant d’obtenir une donnée de géométrie 3D. Par exemple, il est possible de conjuguer une technique de stéréo-radiographie à rayons X et une technique d’absorptiométrie bi-photonique planaire à rayons X pour certaines zones du rachis et pour les vertèbres lombaires de L1 à L4. Complementary to an imaging technique intended to obtain only planar density data (2D), it is possible to couple an imaging technique making it possible to obtain 3D geometry data. For example, it is possible to combine an X-ray stereo-X-ray technique and a planar bi-photon x-ray absorptiometry technique for certain areas of the spine and for the lumbar vertebrae of L1 to L4.
Avantageusement, pour compléter les données de densité osseuses (du), on peut également utiliser une technologie permettant d'obtenir des indices de texture de trame osseuse. Advantageously, to complete the bone density data (du), it is also possible to use a technology that makes it possible to obtain bone texture indices.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l’étape (c) et/ou l’étape (h) comportent une sous-étape de segmentation par détourage des limites osseuses de la ou des vertèbres sur des images acquises par la ou des techniques d’imagerie (Tl). According to a preferred embodiment, step (c) and / or step (h) comprise a substep of segmentation by clipping the bone boundaries of the vertebrae on images acquired by the one or more techniques of imaging (Tl).
En d’autres termes, l’étape de positionnement de volumes d'intérêt (VI) dans les images des vertèbres (VT) à l'étape (c) (comme à l'étape (g), VD) comporte une sous-étape de segmentation vertébrale (extraction des données spécifiques (du) à une vertèbre de la totalité des données acquises pour le rachis) par définition des contours osseux (détourage) de chacune des vertèbres témoins (VT) sur des images acquises par la ou des modalités d’imagerie 3D (Tl). In other words, the step of positioning volumes of interest (VI) in the images of the vertebrae (VT) in step (c) (as in step (g), VD) comprises a sub-component. vertebral segmentation step (extraction of specific data (from) to a vertebra from all the data acquired for the spine) by definition of the bone contours (trimming) of each of the control vertebrae (VT) on images acquired by the modality (s) 3D imaging (Tl).
Plus précisément, la ou les segmentations vertébrales sont réalisées sur des plans de coupe acquises par la technique d’imagerie 3D (Tl). More specifically, the vertebral segmentation (s) are performed on sectional planes acquired by the 3D (Tl) imaging technique.
La sous-étape de segmentation permet de définir l’enveloppe externe osseuse de chaque vertèbre témoin (VT) par recomposition à partir des détourages sur les coupes. The substep of segmentation makes it possible to define the outer bony envelope of each control vertebra (VT) by recomposition from the cutouts on the cuts.
La sous-étape de segmentation permet également de détourer directement des zones particulières qui, assemblées sur toutes ou partie des coupes, forment un ou des volumes spécifiques (VI). The segmentation sub-step also makes it possible to directly cut off particular zones which, assembled on all or part of the sections, form one or more specific volumes (VI).
Cette segmentation peut être manuelle, automatique avec un logiciel adapté, semi-automatique en intégrant une correction humaine. This segmentation can be manual, automatic with adapted software, semi-automatic by integrating a human correction.
Cette segmentation peut aussi consister en l'enregistrement de coordonnées spatiales de points, droites, plans ou de volumes remarquables permettant de reconstituer les volumes d’intérêt (VI) grâce à un algorithme. This segmentation can also consist of the recording of spatial coordinates of points, lines, planes or remarkable volumes making it possible to reconstitute the volumes of interest (VI) by means of an algorithm.
Par exemple, pour obtenir la segmentation des volumes (VI), des repères morphologiques ou géométriques remarquables simplifiant la constitution ultérieure d’un volume d’intérêt (VI) peuvent être déclarés dans un modèle numérique générique 5 (figure 3) de vertèbre type aux étapes (c) et (g). For example, to obtain the segmentation of volumes (VI), remarkable morphological or geometric landmarks simplifying the subsequent constitution of a volume of interest (VI) can be declared in a generic numerical model 5 (Figure 3) of vertebra type in steps (c) and (g).
Le repérage de ces coordonnées remarquables dans les vertèbres témoins permet de simplifier l’identification du ou des volumes d’intérêt et donc le calcul aux étapes (d) et (h) de la densité moyenne d'intérêt (DM) de chaque volume d’intérêt de ces vertèbres. The identification of these remarkable coordinates in the control vertebrae makes it possible to simplify the identification of the volume or volumes of interest and therefore the calculation in steps (d) and (h) of the average density of interest (MD) of each volume of interest of these vertebrae.
Avantageusement, l'étape (c) et/ou (g) comportent une sous-étape d'exclusion des tissus non osseux ou des reconstructions osseuses pathologiques. Advantageously, step (c) and / or (g) comprise a sub-step of excluding non-bone tissue or pathological bone reconstructions.
Cette sous-étape d’exclusion peut avantageusement être réalisée lors la segmentation de la vertèbre (VT ou VD) ou directement des volumes (VI) que l'on veut constituer. This sub-step exclusion can advantageously be performed during the segmentation of the vertebra (VT or VD) or directly volumes (VI) that we want to constitute.
Un détourage rigoureux lors de la segmentation permet d’éliminer les reconstructions osseuses pathologiques. Par exemple, les zones d’ostéophytose sont exclues. Il s’agit de critères de qualité définis pour l'ostéodensitométrie par absorptiométrie bi-photonique. Strict trimming during segmentation eliminates pathological bone reconstructions. For example, areas of osteophytosis are excluded. These are defined quality criteria for bone densitometry by bi-photon absorptiometry.
De manière avantageuse, l’étape (c) et/ou l’étape (h) sont réalisées en adaptant la forme d’un modèle numérique générique (5), comprenant des volumes d’intérêt (VI) prédéfinis, à la forme ou des vertèbres obtenues lors de la sous-étape de segmentation ou en fonction de repères enregistrés directement lors de la sous- étape de segmentation des vertèbres témoins ou des vertèbres déterminées. Advantageously, step (c) and / or step (h) are performed by adapting the shape of a generic numerical model (5), comprising predefined volumes of interest (VI), to the form or vertebrae obtained during the substep of segmentation or as a function of marks recorded directly during the substep of segmentation of the control vertebrae or vertebrae determined.
En d’autres termes, la définition d’au moins un volume d’intérêt (VI), et éventuellement de prise de mesures morphologiques, est réalisée en adaptant, éventuellement grâce à un algorithme, un modèle numérique générique contenant des volumes d'intérêt (VI) types dans le repère de coordonnés de ce modèle numérique. Ce modèle peut être adapté en conformant ces volumes d’intérêt (VI) aux enveloppes externes des vertèbres (VT ou VD) obtenues lors de la sous-étape de segmentation ou en fonction de repères enregistrés lors de cette même sous-étape. In other words, the definition of at least one volume of interest (VI), and possibly the taking of morphological measurements, is carried out by adapting, possibly using an algorithm, a generic numerical model containing volumes of interest. (VI) types in the coordinate coordinate system of this numerical model. This model can be adapted by conforming these volumes of interest (VI) to the outer envelopes of the vertebrae (VT or VD) obtained during the substep of segmentation or according to markers recorded during this same substep.
Avantageusement, l’étape (e) pour déterminer au moins une fonction de régression comporte : Advantageously, step (e) for determining at least one regression function comprises:
- une sous-étape de définition d’au moins une fonction de conversion (Fconv) comprenant comme variable au moins une densité moyenne d'intérêt (DM) pour chaque vertèbre témoin (VT) ; a sub-step of defining at least one conversion function (Fconv) comprising as variable at least one average density of interest (MD) for each control vertebra (VT);
- une sous-étape de calcul d’images mathématiques (I) à l’aide de la fonction de conversion (Fconv) appliquée aux valeurs des densités moyennes d'intérêt (DM) calculées en (d) pour chaque vertèbre témoin (VT) ; a sub-step of calculating mathematical images (I) using the conversion function (Fconv) applied to the values of the densities mean of interest (MD) calculated in (d) for each control vertebra (VT);
- une sous-étape de corrélation desdites images mathématiques (I) de chaque fonction de conversion (Fconv) avec les forces maximales de résistance à l'arrachement expérimentales (FAEX) mesurées à l'étape (b) ;a sub-step of correlating said mathematical images (I) of each conversion function (Fconv) with the maximum tensile strengths (FAE X ) measured in step (b);
- une sous-étape de définition littérale d’une fonction de régression (Frég) associée à la corrélation ; a sub-step of literally defining a regression function (Freg) associated with the correlation;
- une sous-étape de calcul de marges d'erreur statistique et de significativité statistique pour chaque corrélation. a substep of calculating statistical error margins and statistical significance for each correlation.
La fonction de conversion (Fconv) peut correspondre à une combinaison linéaire d'une ou plusieurs variables de densités moyennes d'intérêt (DM). A cette même sous-étape, les densités des volumes d'intérêt (DM) peuvent subir des transformées pour les linéariser (fonction logarithmique, exponentielle, polynomiale, ... ) dans la fonction de conversion (Fconv). The conversion function (Fconv) may correspond to a linear combination of one or more variables of average interest density (MD). In this same sub-step, the densities of the volumes of interest (DM) can undergo transformations to linearize them (logarithmic function, exponential, polynomial, ...) in the conversion function (Fconv).
Éventuellement, d'autres variables comme des paramètres morphologiques ou d'indice de texture de trame osseuse peuvent être intégrées à la fonction de conversion (Fconv). Plus précisément, la fonction de conversion (Fconv) peut comprendre des paramètres morphologiques comme la longueur du corps vertébral antérieur ou des pédicules vertébraux, afin de prendre en compte les effets théoriques d'une vis du plus gros diamètre et la de plus grande longueur possibles ; l'estimation de ces paramètres sur les forces (FA) est obtenue par une analyse statistique complémentaire des données obtenues aux étapes (a) à (d). En intégrant d’autres paramètres que la densité (DM), la sous-étape de définition de la fonction de régression (Frég) peut aussi être obtenue par l'emploi d'une corrélation multilinéaire. La fonction de régression linéaire peut prendre la forme « y = a . x + b », où : Optionally, other variables such as morphological parameters or bone texture index may be integrated into the conversion function (Fconv). More specifically, the conversion function (Fconv) may include morphological parameters such as the length of the anterior vertebral body or vertebral pedicles, in order to take into account the theoretical effects of a screw of the largest diameter and the greatest possible length. ; the estimation of these parameters on the forces (FA) is obtained by a complementary statistical analysis of the data obtained in the steps (a) to (d). By integrating parameters other than density (DM), the sub-step of defining the regression function (Freg) can also be obtained by using a multilinear correlation. The linear regression function can take the form "y = a. x + b "where:
« y » correspond à l'évaluation la force maximale de résistance à l’arrachement (FA) de la vis d’ancrage dans une vertèbre déterminée (VD) que l'on souhaite estimer ; "Y" corresponds to the evaluation of the maximum force of pulling force (FA) of the anchoring screw in a determined vertebra (VD) that one wishes to estimate;
« x » correspond à l'image mathématique (I) de la fonction de conversion (Fconv) pour les paramètres de la vertèbre déterminée (VD) ; "X" corresponds to the mathematical image (I) of the conversion function (Fconv) for the parameters of the determined vertebra (VD);
« a » correspond à la pente de la droite régression linéaire ;"A" corresponds to the slope of the straight linear regression;
« b » correspond à la valeur à l’origine de droite de la régression linéaire, tels que : "B" is the right-hand value of the linear regression, such as:
- FA = Frég[VD] = a . Fconv[VD] + b, - avec Fconv[VD] = ai . DM[VD][1] + a2 . DM[VD][2] + ... + aw .- FA = Freg [VD] = a. Fconv [VD] + b, with Fconv [VD] = ai. DM [VD] [1] + a 2 . DM [VD] [2] + ... + a w .
DM[VD][w] DM [RV] [w]
Bien entendu, dans le cadre d’une régression multilinéaire, la fonction de régression (Frég) correspond à un polynôme plus complexe que celui de l’exemple précédent. Of course, in the context of a multilinear regression, the regression function (Freg) corresponds to a more complex polynomial than that of the preceding example.
Préférentiellement, l’étape (e) de détermination d’au moins une fonction de conversion (Fconv) comporte une sous-étape finale de pré-sélection d’une ou plusieurs fonctions de conversion (Fconv). Preferably, the step (e) of determining at least one conversion function (Fconv) comprises a final sub-step of pre-selecting one or more conversion functions (Fconv).
Selon une solution préférentielle, l’étape (e) de détermination d'une ou plusieurs fonctions de conversion (Fconv) utilisables en routine clinique nécessite une sous-étape de sélection de fonctions de conversion (Fconv) qui mènent à des résultats statistiquement acceptables. Ceci peut réduire aussi la liste des volumes d'intérêts explorés (VI) aux seuls volumes (VI) nécessaires et suffisants pour obtenir les fonctions de conversion pré-sélectionnées (Fconv). According to a preferred solution, the step (e) of determining one or more conversion functions (Fconv) that can be used in clinical routine requires a substep of selection of conversion functions (Fconv) that lead to statistically acceptable results. This can also reduce the list of explored interest volumes (VIs) to only those volumes (VIs) necessary and sufficient to obtain the pre-selected conversion functions (Fconv).
Cette sous-étape de sélection de fonctions de conversions (Fconv) pertinentes, est avantageusement réalisée en fonction de critères statistiques : la sous-étape finale de sélection est réalisée en fonction de critères de sélection qui comportent, pour chaque fonction de régression, un coefficient de détermination (R2), et une valeur d’erreur type d'estimation (SEE) de la corrélation linéaire de chaque score avec les forces maximales de résistance à l’arrachement expérimentales (FAEX) sur les vertèbres témoins (VT). This substep of selection of relevant conversion functions (Fconv) is advantageously performed according to statistical criteria: the final sub-step of selection is performed according to selection criteria which comprise, for each regression function, a coefficient of determination (R 2 ), and a standard error estimation value (SEE) of the linear correlation of each score with the maximum experimental tearing resistance forces (FA EX ) on the control vertebrae (VT).
En statistique, le coefficient de détermination (R2) permet de mesurer la performance de la prédiction permise par l'ajustement linéaire et l'erreur type d'estimation (SEE) est une mesure de la variabilité des points de données de part et d'autre de la droite de régression. In statistics, the coefficient of determination (R 2 ) is used to measure the performance of the prediction allowed by the linear fit and the standard error of estimate (SEE) is a measure of the variability of the data points of both sides. other of the regression line.
Les critères de sélection peuvent également intégrer d’autres calculs de la performance de la prédiction permise par l'ajustement. The selection criteria may also incorporate other calculations of the performance of the prediction allowed by the adjustment.
Enfin, lors de l'application à un patient susceptible de bénéficier du traitement chirurgical avec un procédé selon l’invention, les critères d’application peuvent aussi intégrer des contraintes de mise en œuvre cliniques, pratiques, financières, dues au temps passé nécessaire à la réalisation du procédé (VI), dues aux limites techniques des systèmes d'imagerie médicale utilisés (Tl). Ces critères devront aussi tenir compte du cas où des zones particulières d'une vertèbre déterminée (VD) pourraient être inexploitables. Par exemple si un des pédicules présente des dégradations telles qu'il n'est pas implantable, les fonctions de conversion (Fconv) ayant comme variable la densité des deux pédicules (DM) n'ont plus de sens pour cette vertèbre déterminée (VD). Il faudra alors retenir uniquement les fonctions de conversion (Fconv) comportant comme variable la densité d'un seul des pédicules (DM). Finally, when applied to a patient likely to benefit from the surgical treatment with a method according to the invention, the application criteria can also include clinical, practical, financial implementation constraints, due to the time required to the realization of the method (VI), due to the technical limitations of the medical imaging systems used (Tl). These criteria must also take into account the case where particular areas of a specific vertebra (VD) could be unusable. For example, if one of the pedicles has impairments such that it is not implantable, the conversion functions (Fconv) having as variable the density of the two pedicles (DM) no longer make sense for this determined vertebra (VD). It will then be necessary to retain only the conversion functions (Fconv) having as variable the density of only one of the pedicles (DM).
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention donné à titre d’exemple illustratif et non limitatif, ainsi que des dessins annexés parmi lesquels : Other features and advantages of the invention will appear more clearly on reading the description hereafter of a preferred embodiment of the invention given by way of illustrative and non-limiting example, as well as the appended drawings among which :
la figure 1 est une représentation schématique du procédé d’évaluation selon l’invention ; Figure 1 is a schematic representation of the evaluation method according to the invention;
la figure 2 est une illustration selon une vue en coupe axiale d’une vertèbre avec une vis pédiculaire insérée à gauche dans le pédicule et le corps antérieur, et une délimitation sur la coupe d'un volume d’intérêt (VI) dans le pédicule à droite ; FIG. 2 is an illustration according to an axial sectional view of a vertebra with a pedicle screw inserted to the left in the pedicle and the anterior body, and a delimitation on the section of a volume of interest (VI) in the pedicle. to the right ;
la figure 3 est une illustration d’un modèle numérique générique de vertèbre. Figure 3 is an illustration of a generic digital vertebra model.
Tel qu’illustré par la figure 1 , l’invention a pour objet un procédé d’estimation de forces maximales de résistance à l’arrachement (FA) d'un modèle de vis d’ancrage particulier dans une site d'implantation choisi pour une vertèbre déterminée (VD) selon les principes d'une technique chirurgicale d'insertion donnée. As shown in FIG. 1, the subject of the invention is a method for estimating maximum pulling force (FA) forces of a particular anchor screw model in an implantation site chosen for a determined vertebra (VD) according to the principles of a given insertion technique.
La vis d’ancrage est notamment une vis pédiculaire. La figure 2 représente l'implantation d'une vis d’ancrage 3 dans une vertèbre 1 par une trajectoire passant par le milieu des sections verticales et horizontales du pédicule vertébral gauche 4 pour aboutir dans le corps antérieur de la vertèbre 2. La trajectoire est oblique. Si deux vis sont implantées, leurs axes longitudinaux respectifs convergent en direction des pointes des vis. The anchoring screw is in particular a pedicle screw. FIG. 2 shows the implantation of an anchoring screw 3 into a vertebra 1 by a path passing through the middle of the vertical and horizontal sections of the left vertebral pedicle 4 to terminate in the anterior body of the vertebra 2. The trajectory is oblique. If two screws are implanted, their respective longitudinal axes converge towards the points of the screws.
Le procédé selon l’invention comprend une succession d’étapes, dont une première partie est réalisée sur des vertèbres témoins (VT), et une deuxième partie est réalisée pour au moins une vertèbre déterminée d'un patient (VD) pour au moins un site d'insertion donné selon les principes d'une technique chirurgicale donnée. The method according to the invention comprises a succession of steps, of which a first part is carried out on control vertebrae (VT), and a second part is performed for at least one determined vertebra of a patient (VD) for at least one Insertion site given according to the principles of a given surgical technique.
Ces vertèbres témoins (VT) sont préférentiellement cadavériques, tel que détaillé par la suite, ou synthétiques. These control vertebrae (VT) are preferably cadaveric, as detailed later, or synthetic.
Dans cet exemple deux volumes (VI) seront décrits dans vertèbres témoins (VT) d'un nombre suffisant pour que la vertèbre déterminée (VD) bénéficie de calculs statistiquement significatifs et représentatifs pour la catégorie clinique de la population à laquelle appartient le patient et les donneurs (en pratique au moins 6 vertèbres témoins par niveau vertébral). Le niveau vertébral (VD) à implanter est L4. Cette significativité est établie par une valeur de p-value < 0,01. Les deux volumes sont : Vl[1], constitué par le volume du corps vertébral antérieur, et Vl[2], constitué par les volumes des deux pédicules. De même pour l'exemple, trois fonctions de conversion [Fconv] sont définies littéralement : In this example two volumes (VI) will be described in control vertebrae (VT) of a sufficient number so that the determined vertebra (VD) benefits from statistically significant and representative calculations for the clinical category of the population to which the patient and the patients belong. donors (in practice at least 6 vertebrae witnesses by vertebral level). The vertebral level (VD) to be implanted is L4. This significance is established by a value of p-value <0.01. The two volumes are: Vl [1], constituted by the volume of the anterior vertebral body, and Vl [2], constituted by the volumes of the two pedicles. Similarly for the example, three conversion functions [Fconv] are defined literally:
Fconv[1] = 1 . DM[Corps Vertébral Antérieur] = 1 . DM[1] = DM[1] ; Fconv[2] = 1 . DM[Corps Vertébral Antérieur] + 1 . DM[Pédicules] = 1 . DM[1] + 1 . DM [2] = DM[1] + DM[2]); Fconv [1] = 1. DM [Anterior Vertebral Body] = 1. DM [1] = DM [1]; Fconv [2] = 1. DM [Anterior Vertebral Body] + 1. DM [Pedicles] = 1. DM [1] + 1. DM [2] = DM [1] + DM [2]);
Fconv[3] = 0,3 . DM[Corps Vertébral Antérieur] + 1 . DM[Pédicules] = 0,3 . DM[1] + 1 . DM [2] = 0,3 . DM[1] + DM[2] Fconv [3] = 0.3. DM [Anterior Vertebral Body] + 1. DM [Pedicles] = 0.3. DM [1] + 1. DM [2] = 0.3. DM [1] + DM [2]
Les étapes de la première partie du procédé selon l’invention sont les suivantes : The steps of the first part of the process according to the invention are as follows:
a. acquisition de données unitaires de densité (du) ainsi que leurs coordonnées spatiales pour des rachis témoins par au moins une technique d’imagerie (Tl) médicale non-invasive permettant d’identifier un sous-ensemble d'au moins une densité unitaire (du) et ses coordonnées spatiales pour chaque vertèbre témoin (VT), l'ensemble des données de densités unitaires (du) mesurées pour chaque rachis témoin est {du[1], du[2] , ... , du[z]}, « z » étant le nombre maximum de mesures permises par la résolution du système d'imagerie, un sous- ensemble de ces données (du) est occupé par le volume osseux de chaque vertèbre témoin {VT[1], VT[2], ... , VT[6]} ; at. acquisition of unit density data (du) as well as their spatial coordinates for control spines by at least one non-invasive medical imaging technique (T1) for identifying a subset of at least one unit density (of the ) and its spatial coordinates for each control vertebra (VT), the set of unit density data (du) measured for each control spine is [1], [2], ..., [z] , "Z" being the maximum number of measurements allowed by the resolution of the imaging system, a subset of these data (du) is occupied by the bone volume of each control vertebra {VT [1], VT [2] , ..., VT [6]};
b. tests mécaniques de résistance à l'arrachement de la vis d’ancrage implantée dans un ou plusieurs sites d'insertion de chacune des vertèbres témoins (VT) avec détermination de la force maximale de résistance à l'arrachement expérimentale (FAEX) sur la courbe Force/Déplacement enregistrée lors de chaque test : ici une seule valeur par vertèbre témoin (VT) de 1 à 6 soit 6 valeurs : {FAEX[1 ], FAEX[2], ... , FAEX[6]} ; b. mechanical tensile strength tests of the anchoring screw implanted in one or more insertion sites of each of the control vertebrae (VT) with determination of the maximum force of resistance to experimental tearing (FA EX ) on the Force / Displacement curve recorded during each test: here a single value per control vertebra (VT) from 1 to 6 is 6 values: {FA EX [1], FA EX [2], ..., FA EX [6] };
c. délimitation ici des volumes d’intérêt VI [1] et VI [2] pour chaque vertèbre témoin {VT[1], VT[2], ... , VT[6]} de niveau lombaire L4, soient 12 volumes : {Vl[1][1] Vl[2][1] , ... , Vl[6][1]} + {Vl[1][2] Vl[2][2] , ... , Vl[6][2]} à partir : c. delimiting here volumes of interest VI [1] and VI [2] for each vertebra of control {VT [1], VT [2], ..., VT [6]} of lumbar level L4, ie 12 volumes: { Vl [1] [1] Vl [2] [1], ..., Vl [6] [1]} + {Vl [1] [2] Vl [2] [2], ..., Vl [ 6] [2]} from:
des données unitaires (du) du rachis du donneur d ([du[5][1] ; du[5][z]]), le sous-ensemble des données unitaires (du) {du[1][ai], du[1][a2] , ... , du[1][an]} étant attribué au volume Vl[1] de la vertèbre témoin VT[1] de niveau lombaire L4 du donneur d, soit Vl[1][1], [5] [1] and [5] [z]] donor unit spine unit data, the subset of the data unit (s) of [1] [ai], [1] [a 2 ], ..., [1] [a n ]} being assigned to volume Vl [1] of control vertebra VT [1] ] of lumbar level L4 of the donor d, ie Vl [1] [1],
- de même pour le donneur e et le sous-ensemble des données unitaires {du[2][bi], du[2][b2] , ... , du[2][bm]} étant attribué au volume VI [1] de la vertèbre témoin L4 VT[2], soit Vl[2][1] ; - the same for the donor e and the subset of unit data {[2] [bi], [2] [b 2 ], ..., [2] [b m ]} being attributed to the volume VI [1] of the control vertebra L4 VT [2], ie Vl [2] [1];
- enfin de même pour le donneur z, le sous-ensemble des données unitaires {du[6][zi], du[6][z2] , ... , du[6][z0]} étant attribué au volume VI [1] de la vertèbre témoin L4 VT[6], soit Vl[6][1] ; - finally, for donor z, the subset of unit data {of [6] [zi], [6] [z 2 ], ..., [6] [z 0 ]} being attributed to volume VI [1] of the control vertebra L4 VT [6], ie Vl [6] [1];
Même raisonnement avec d'autres sous-ensembles de données unitaires (du) pour chaque vertèbre témoin (VT) pour DM[2] : Same reasoning with other subsets of unit data (du) for each control vertebra (VT) for DM [2]:
- le sous-ensemble des données unitaires {du[1][a1], du[1][a2] , ... , du[1][ap]} de la vertèbre L4 du rachis d est attribué au volume Vl[1][2], - the subset of the unit data of [1] [a1], [1] [a2], ..., [1] [ap]} of vertebra L4 of spine d is assigned to volume Vl [ 1], [2]
- le sous-ensemble des données unitaires {du[2]^1], du[2]^2],... , du[2]^q]} de la vertèbre L4 du rachis e est attribué au volume Vl[2][2], - the subset of the unit data [of [2] ^ 1], [2] ^ 2], ..., [2] ^ q]} of vertebra L4 of rachis e is attributed to volume Vl [ 2] [2],
- le sous-ensemble des données unitaires {du[6][oo1], du[6][oo2],... , du[6][ooo] de la vertèbre L4 du rachis z est attribué au volume Vl[6][2] - the subset of the unit data of [6] [oo1], [6] [oo2], ..., [6] [ooo] of the vertebra L4 of the rachis z is attributed to the volume Vl [6] ] [2]
Selon un mode de réalisation particulier, la première partie du procédé comprend en outre les étapes suivantes : According to a particular embodiment, the first part of the method further comprises the following steps:
• détermination des densités moyennes d'intérêt {DM[1][1], DM[2][1], ... , DM[6][1]} et {DM[1 ][2], DM[2][2], ... , DM[6][2]} pour les deux volumes d’intérêts Vl[1] et VI [2] définies en (c) à partir du volume total des volumes unitaires de chaque données unitaires (du) de chaque sous-ensemble, soit 12 densités moyennes d'intérêt (il est à noter que chaque sous- ensemble de données unitaires (du) affecté à chaque volume d'intérêt (VI) pour chaque vertèbre témoin (VT) peut l'être directement dans le référentiel imagé de chaque rachis) ; • définition littérale, arbitrairement, de trois fonctions de conversion (Fconv) : • determination of the average densities of interest {DM [1] [1], DM [2] [1], ..., DM [6] [1]} and {DM [1] [2], DM [2] ] [2], ..., DM [6] [2]} for the two volumes of interest Vl [1] and VI [2] defined in (c) from the total volume of unit volumes of each unit data (from) each subset, ie 12 average densities of interest (it should be noted that each subset of unit data (du) assigned to each volume of interest (VI) for each control vertebra (VT) can to be directly in the referential image of each spine); • arbitrary definition of three conversion functions (Fconv):
- Fconv[1 ] = DM[1] ; - Fconv [1] = DM [1];
- Fconv[2] = DM[1] + DM[2] ; - Fconv [2] = DM [1] + DM [2];
- Fconv[3] = 0,3 . DM[1] + DM[2] - Fconv [3] = 0.3. DM [1] + DM [2]
Puis on calcule, par les trois fonctions de conversions (Fconv[1 ], Fconv[2], Fconv[3]), grâce aux valeurs des densités moyennes d'intérêt {DM[1][1] , ... , DM[6][2]}, des images mathématiques l[1] = {Fconv[1][1] , ... , Fconv[6][1]}, l[2] = {Fconv[2][1] , ... , Fconv[6][2]} et l[3] = {Fconv[1][3] , ... , Fconv[6][3]} (Exemple : Fconv[6][3] = 0,3 . DM[6][1] + DM[6][2]), soient 6 valeurs par fonction de conversion (Fconv). Then we calculate, by the three conversion functions (Fconv [1], Fconv [2], Fconv [3]), thanks to the values of the average densities of interest {DM [1] [1], ..., DM [6] [2]}, mathematical images l [1] = {Fconv [1] [1], ..., Fconv [6] [1]}, l [2] = {Fconv [2] [1 ], ..., Fconv [6] [2]} and l [3] = {Fconv [1] [3], ..., Fconv [6] [3]} (Example: Fconv [6] [3 ] = 0.3 DM [6] [1] + DM [6] [2]), ie 6 values per conversion function (Fconv).
Il est ensuite procédé à un calcul de trois corrélations des ensembles d'images mathématiques l[1], l[2] et l[3] avec FAEx = {FAEx[1] , ... , FAEx[6]}, et à une définition littérale de leur fonction de régression (Frég[1], Frég[2] et Frég[3]) respective à partir des paramètres de définition des droites de régression : It is then proceeded to a computation of three correlations of sets of mathematical images l [1], l [2] and l [3] with FAEx = {FAEx [1], ..., FAEx [6]}, and to a literal definition of their respective regression function (Frég [1], Frég [2] and Frég [3]) from the parameters of definition of the regression lines:
- Frég[1] = a . Fconv[1] + b, - Freg [1] = a. Fconv [1] + b,
- Frég[2] = c . Fconv[2] + d, - Freg [2] = c. Fconv [2] + d,
- Frég[3] = e . Fconv[3] + f, - Freg [3] = e. Fconv [3] + f,
où « a », « c » et « e » sont les pentes des droites de régression et « b », « d » et « f » leurs valeurs à l'origine. where "a", "c" and "e" are the slopes of the regression lines and "b", "d" and "f" are their original values.
On pose l’hypothèse que seules deux corrélations ont des marges d'erreur statistique acceptables et donc seules les fonctions de conversion (Fconv[2] et Fconv[3]) sont retenues au terme de cette sous-étape de pré-sélection. It is assumed that only two correlations have acceptable statistical error margins and therefore only the conversion functions (Fconv [2] and Fconv [3]) are retained at the end of this pre-selection substep.
Les vertèbres témoins (VT) sont obtenues par prélèvements sur des donneurs décédés (spécimens). Ces spécimens et leurs vertèbres doivent présenter des caractéristiques cliniques pertinentes pour établir des forces maximales de résistance à l’arrachement expérimentales de référence (FAEX) de la vis d’ancrage. The control vertebrae (VT) are obtained by sampling from deceased donors (specimens). These specimens and their vertebrae must have clinically relevant characteristics to establish maximum experimental tearing strengths (FAE X ) of the anchor screw.
Par exemple, une manière d'obtenir des informations homogènes sur les densités osseuses, consiste en la sélection de donneurs sans antécédents chirurgicaux apparents (ou à la dissection) du rachis, ne présentant pas de déformations rachidiennes, et en excluant à l'imagerie et à la dissection chirurgicale les vertèbres présentant les signes de pathologies comme les cancers, les métastases osseuses, les angiomes et celles présentant des signes ou des séquelles de fractures. L’utilisation de vertèbres cadavériques permet de disposer de vertèbres témoins de donneurs (VT) qui présentent le plus de similitudes cliniques pour leur qualité osseuse avec la population des patients pour lesquels les vertèbres (VD) sont susceptibles d’être implantées par des vis d’ancrage. Avantageusement, les vertèbres cadavériques (VT) recèlent également une micro-structure trabéculaire non disponible dans les mousses synthétiques commerciales. For example, one way to obtain consistent information on bone densities is to select donors with no apparent surgical history (or dissection) of the spine, no spinal deformities, and excluding imaging and surgical dissection vertebrae presenting signs of pathologies such as cancers, bone metastases, angiomas and those with signs or sequelae of fractures. The use of cadaveric vertebrae makes it possible to have donor Vertebrae (VT) which have the most clinical similarities for their bone quality with the patient population for which the vertebrae (VD) are likely to be implanted by screws. anchor. Advantageously, the cadaveric vertebrae (VT) also contain a trabecular micro-structure not available in commercial synthetic foams.
Pour l’étape (a) d’acquisition d’au moins une donnée unitaire de densité (du) par imagerie (Tl), on réalise une acquisition d’une imagerie clinique (Tl) produisant une géométrie 3D des densités osseuses unitaires (du) des vertèbres témoins (VT). For the step (a) of acquisition of at least one unitary density data (du) by imaging (Tl), an acquisition of a clinical imaging (Tl) producing a 3D geometry of the unit bone densities (of the ) control vertebrae (VT).
La ou les données d’imagerie (du) sont obtenues par l’une des techniques d’imagerie cliniques suivantes (Tl): The imaging data (s) are obtained by one of the following clinical imaging techniques (Tl):
tomodensitométrie à rayons X ; X-ray computed tomography;
stéréo-radiographie et absorptiométrie bi-planaire en double énergie à rayons X ; X-ray stereo-radiography and dual-energy absorptiometry;
absorptiométrie bi-photonique planaire à rayons X ; planar bi-photonic x-ray absorptiometry;
- absorptiométrie bi-photonique volumétrique à rayons X. - X-ray volumetric bi-photonic absorptiometry.
A l'exception de l'absorptiométrie bi-photonique planaire à rayons X, ces modalités d'acquisition permettent d’obtenir des ensembles de données unitaires (du) d’imagerie de toutes les vertèbres (VT) par projection des plans de l'épaisseur des volumes unitaires déterminant les densités unitaires (du), ces ensembles sont appelés coupes. Ces volumes unitaires, selon les modalités utilisées préférentiellement (Tl), appelés voxels, sont fixés lors de l'acquisition des données (du) à l'étape (a). A chaque voxel est assignée une valeur de niveau de gris en fonction des densités des tissus et d'une calibration du système d'imagerie par un fantôme de calibration ou par équivalence directe en imageant un fantôme de calibration en même temps que les rachis. Les densités unitaires (du) mesurées sont convertibles en équivalence de poids exprimé en grammes d'équivalent d'hydroxyapatite par mm3 (g(HA).mnr3). With the exception of planar bi-photonic x-ray absorptiometry, these acquisition methods make it possible to obtain unitary data sets (du) for imaging all the vertebrae (VT) by projecting the planes of the unit volumes determining unit densities (du), these sets are called slices. These unit volumes, according to the modalities used preferentially (Tl), called voxels, are set during the acquisition of the data (of) in step (a). Each voxel is assigned a gray level value according to the tissue densities and a calibration of the imaging system by a calibration phantom or by direct equivalence by imaging a calibration phantom at the same time as the spines. The unit densities (of) measured are convertible into weight equivalence expressed in grams of hydroxyapatite equivalent per mm 3 (g (HA) .mnr 3 ).
Avantageusement, l’étape (c) de définition pour chaque vertèbre témoin (VT) des volumes d'intérêt (VI) comprend : Advantageously, the step (c) of definition for each control vertebra (VT) of the volumes of interest (VI) comprises:
une sous-étape de segmentation de la vertèbre (VT), ou d'une partie de la vertèbre, et/ou directement de détourage des volumes d'intérêt (VI) ou le repérage de ceux-ci, sur des images acquises par la ou des techniques d’imagerie acquises à l'étape (a) ; une sous-étape d'exclusion de zones de reconstructions osseuses pathologiques et des zones non osseuses de la vertèbre. a sub-step of segmentation of the vertebra (VT), or part of the vertebra, and / or directly of clipping of the volumes of interest (VI) or the location thereof, on images acquired by the or imaging techniques acquired in step (a); a sub-step of excluding areas of pathological bone reconstructions and non-bone areas of the vertebra.
La sous-étape de segmentation permet de délimiter l’enveloppe externe osseuse de la vertèbre (VT), ou directement des volumes d’intérêt (VI) dans la vertèbre (VT). The substep of segmentation makes it possible to delimit the external bone envelope of the vertebra (VT), or directly of the volumes of interest (VI) in the vertebra (VT).
La sous-étape de détourage permet également de réaliser la sous-étape d’exclusion de zones de reconstructions osseuses pathologiques. On exclut en effet les ostéophytes, excroissances arthrosiques périphériques à la corticale osseuse qui ne contribuent pas aux qualités mécaniques de l'os de la vertèbre (VT). The sub-step of clipping also makes it possible to perform the sub-step of excluding zones of pathological bone reconstructions. It excludes osteophytes, osteoarthritic excrescences peripheral to the cortical bone which do not contribute to the mechanical qualities of the bone of the vertebra (VT).
Cette exclusion permet aussi de ne pas fausser les densités osseuses (DM) en excluant des zones non osseuses qui sont de densités moindres (tissus mous, disques intervertébraux, cartilages) et qui diminuent artificiellement la densité moyenne d'intérêt (DM) de la zone que l'on étudie sans pour autant contribuer aux propriétés biomécaniques de l'os vertébral (FAEX). This exclusion also makes it possible not to distort bone densities (MD) by excluding non-bone areas that are of lower densities (soft tissues, intervertebral disks, cartilage) and artificially reduce the average density of interest (MD) of the zone. that one studies without contributing to the biomechanical properties of the vertebral bone (FA EX ).
De manière plus précise, et en référence à la figure 1 , l’étape (b) des tests mécaniques d’arrachement comporte : More specifically, and with reference to FIG. 1, step (b) of the mechanical tearing tests comprises:
une sous-étape d’implantation des vis d’ancrage dans un site d'insertion définit de manière identique pour toutes les vertèbres témoins (VT) et selon les principes de la technique chirurgicale d’insertion choisie ; - une sous-étape d’arrachement de toutes les vis d’ancrage dans les vertèbres témoins (VT), et d’obtention des forces maximales de résistance à l’arrachement expérimentales {FAEX[1 ], FAEX[2], ... , FAEX[6]} sur les courbes Force/Déplacement de chaque test. a sub-step of implantation of the anchoring screws in an insertion site defines in an identical manner for all the control vertebrae (VT) and according to the principles of the selected insertion surgical technique; - a substep of tearing all the anchor screws in the control vertebrae (VT), and obtaining the maximum tensile strengths experimental experimental FAE X [1], FAE X [2], ..., FAE X [6]} on the Force / Displacement curves of each test.
Préalablement à la sous-étape d’implantation, on réalise une préparation chirurgicale de chaque vertèbre témoin (VT) afin d'éliminer tous les tissus mous et les disques intervertébraux et on insère les vis d’ancrage selon les principes de la technique chirurgicale d’insertion retenue (trajectoire transpédiculaire oblique, bi- corticale ...). Les vertèbres (VT) ainsi préparées sont incluses dans un ciment synthétique et présentées dans l'axe d'arrachement désiré sur le banc de test. Prior to the implantation sub-step, a surgical preparation of each control vertebra (VT) is carried out in order to eliminate all the soft tissues and the intervertebral discs and the anchoring screws are inserted according to the principles of the surgical technique. retained insertion (oblique transpedicular trajectory, bicortical ...). The vertebrae (VT) thus prepared are included in a synthetic cement and presented in the desired tear axis on the test bench.
Des clichés radiologiques peuvent être pris pour contrôler la conformité de position des vis d’ancrage dans les vertèbres (VT) par rapport aux principes de la technique chirurgicale de référence retenue. X-rays can be taken to check the positional compliance of the anchor screws in the vertebrae (VT) against the principles of the selected reference surgical technique.
Lors de la sous-étape d’arrachement des vis d’ancrage des vertèbres témoins (VT), on obtient les forces maximales de résistance à l’arrachement expérimentales (FAEX) par l'exploitation des courbes Force/Déplacement obtenues lors des essais mécaniques d'arrachement en traction continue selon l'axe d'insertion des vis d’ancrage (vis pédiculaire) dans les vertèbres témoins (VT). During the sub-step of tearing the screws of anchoring of the control vertebrae (VT), one obtains the maximum forces of resistance to the experimental tearing (FA EX ) by the exploitation of the curves Force / displacement obtained during mechanical tensile tests in continuous traction along the axis of insertion of the anchoring screws (pedicle screw) in the control vertebrae (VT).
Bien entendu, l’essai mécanique peut être réalisé avec une combinaison d’axes de traction, et peut optionnellement comprendre des cycles de fatigue mécanique pour simuler une dégradation postopératoire à plus long terme de la détérioration de la tenue des vis si l'on veut obtenir des évaluations à plus long terme. Of course, the mechanical test can be performed with a combination of traction axes, and may optionally include mechanical fatigue cycles to simulate longer-term postoperative degradation of the deterioration of the screw strength if one wants to obtain longer-term evaluations.
Pour l’étape (c) de définition d’au moins un volume d’intérêt (VI), on identifie un volume (VI) qui peut être anatomique, géométrique, déduit de paramètres morphologiques de la vertèbre, ou encore être une combinaison de ces définitions. For the step (c) of defining at least one volume of interest (VI), a volume (VI) is identified that can be anatomical, geometric, derived from morphological parameters of the vertebra, or be a combination of these definitions.
Par exemple, un volume d’intérêt (VI) peut correspondre à la zone trabéculaire du corps antérieur d’une vertèbre ou bien à un cylindre contenu dans cette zone. For example, a volume of interest (VI) may correspond to the trabecular area of the anterior body of a vertebra or to a cylinder contained in this zone.
En référence à la figure 2, un volume d’intérêt (VI) approximant la totalité du pédicule (4) est représenté sur l’image de la vertèbre 1. With reference to FIG. 2, a volume of interest (VI) approximating the entire pedicle (4) is represented on the image of the vertebra 1.
Par itération du procédé des étapes (c) à (f), La définition d’un volume d’intérêt (VI) peut être approximée ou affinée par un autre nouveau volume (VI). Ce nouveau volume d'intérêt (VI) pourrait consister en un volume cylindrique ou ovale inclus dans les limites du pédicule, le traversant de part en part dans le plus grand diamètre possible, pour ensuite se développer longitudinalement au grand axe du pédicule, et de forme circulaire, dans le corps vertébral antérieur, définissant une trajectoire dite «Voie trans-pédiculaire oblique ». Ce genre de volume (VI) permet de mieux refléter les densités des différentes zones anatomiques (VI) traversées par les vis insérées à l'étape (b) et, permet de mieux déterminer à l'étape (g) les paramètres d'une vis du diamètre maximum et de la longueur maximale, sans pour autant occasionner d'effraction corticale à l'insertion, susceptible d'obtenir la meilleure tenue (FA). By iteration of the method of steps (c) to (f), the definition of a volume of interest (VI) can be approximated or refined by another new volume (VI). This new volume of interest (VI) could consist of a cylindrical or oval volume included within the limits of the pedicle, passing right through it into the largest possible diameter, then developing longitudinally along the major axis of the pedicle, and circular shape, in the anterior vertebral body, defining a trajectory called "oblique trans-pedicular pathway". This kind of volume (VI) makes it possible to better reflect the densities of the various anatomical zones (VI) traversed by the screws inserted in step (b) and makes it possible to better determine in step (g) the parameters of a screw maximum diameter and maximum length, without causing cortical break-in at the insertion, likely to get the best hold (FA).
On peut introduire des définitions de volumes (VI) qui diminuent les efforts de segmentation, dont on peut comparer la performance de leur fonction de conversion (Fconv) par rapport aux volumes définis (VI) avec une segmentation et un détourage rigoureux complet. Volume (VI) definitions can be introduced that reduce segmentation efforts, which can be compared with the performance of their conversion function (Fconv) against defined volumes (VIs) with complete rigorous segmentation and clipping.
Selon une caractéristique avantageuse du procédé d’évaluation, lors de l’étape (c) de définition d’au moins un volume d’intérêt (VI), on sélectionne des volumes d’intérêt (VI) soit entiers (os cortical et spongieux), soit partiels (os cortical , spongieux ou cortical-sous-cortical), soit des volumes (VI) dont la zone corticale- sous-corticale est exclue. La corticale-sous-corticale est composée de l'os cortical et d'une marge supplémentaire d'os spongieux en continuité d'une épaisseur fixée. Cette épaisseur peut être définie séparément pour la corticale du pédicule ou d'une autre partie comme le corps vertébral antérieur. According to an advantageous characteristic of the evaluation method, during step (c) of definition of at least one volume of interest (VI), volumes of interest (VI) are selected that are whole (cortical and cancellous bone). ), or partial (cortical bone, cancellous or cortical-subcortical), or volumes (VI) whose cortical-subcortical zone is excluded. The cortical-subcortical is composed of the cortical bone and an additional margin of spongy bone in continuity of a fixed thickness. This thickness can be defined separately for the cortex of the pedicle or of another part such as the anterior vertebral body.
Bien que présentant une densité plus élevée, le tissu osseux cortical présente une épaisseur parfois inférieure à la résolution spatiale des systèmes d'imagerie clinique (Tl), ce qui est source d'erreur. En conséquence, en se basant plus sur l'os cortical mais sur une zone cortico-sous-corticale, on uniformise l'erreur systématique de la détermination de cette zone corticale due à la diminution artificielle des densités unitaires (du) des corticales dont les volumes unitaires peuvent inclure une partie des tissus de moindre densité bordant l'extérieur de la corticale d'un côté (tissus mous, ostéophytes) et/ou de l'os spongieux du côté interne de la corticale, l'os spongieux étant moins dense que l'os cortical chez le sujet sain. Cet artefact dû à la résolution des systèmes d'imagerie (Tl) est connu en radiologie clinique sous le nom de « volumes partiels ». Although having a higher density, the cortical bone tissue is sometimes less than the spatial resolution of the clinical imaging systems (T1), which is a source of error. Consequently, based more on the cortical bone but on a cortico-subcortical zone, the systematic error of the determination of this cortical zone due to the artificial decrease of the unit densities of the corticals whose Unit volumes may include some of the lower density tissue lining the outside of the cortex on one side (soft tissue, osteophytes) and / or cancellous bone on the inner side of the cortex, with spongy bone being less dense than the cortical bone in the healthy subject. This artifact due to the resolution of imaging systems (Tl) is known in clinical radiology as "partial volumes".
Cette étape (c) de délimitation d’au moins un volume d’intérêt (VI) peut être réalisée en adaptant les paramètres de définition d'un modèle numérique générique comprenant des volumes d'intérêt types (VI) dans ce référentiel générique, pour le conformer aux limites de l'enveloppe externe des vertèbres (VT ou VD) et/ou de repères obtenus lors de la sous-étape de segmentation. Ce modèle permet de transposer directement des volumes d’intérêt prédéfinis (VI), identifiés sur le modèle numérique générique et d'obtenir des mesures morphologiques, par exemple par un algorithme. This step (c) of delimitation of at least one volume of interest (VI) can be performed by adapting the definition parameters of a generic digital model comprising typical interest volumes (VI) in this generic reference frame, for conform to the limits of the outer envelope of the vertebrae (VT or VD) and / or marks obtained during the substep segmentation. This model makes it possible to directly transpose predefined interest volumes (VI), identified on the generic numerical model and to obtain morphological measurements, for example by an algorithm.
Un tel modèle numérique générique représentant une coupe axiale d'une vertèbre type, est représenté par la figure 3. Such a generic numerical model representing an axial section of a typical vertebra is represented by FIG.
Lors de la déformation du modèle, par exemple à l’aide d’un algorithme, pour qu’il soit conformé aux limites de l’enveloppe externe de la vertèbre déterminée, ou d'autres repères, les volumes d'intérêt (VI) types prédéfinis dans ce modèle sont eux aussi déformés en s'ajustant sur des variables morphologiques prédéterminées d'une vertèbre type aux variables réelles mesurées, ou grâce à des repères définis sur les vertèbres (VT ou VD). During the deformation of the model, for example by means of an algorithm, so that it conforms to the limits of the external envelope of the determined vertebra, or other markers, the volumes of interest (VI) predefined types in this model are also deformed by fitting on predetermined morphological variables of a vertebra type to the actual variables measured, or thanks to markings defined on the vertebrae (VT or VD).
Pour l’étape (d) de détermination de la densité moyenne d'intérêt (DM) de chaque volume d'intérêt (VI), on calcule les équivalents de poids de chaque voxel inscrit dans un volume d’intérêt (VI) (grâce à sa valeur de niveau de gris qui peuvent être transformée en densité puis en poids selon une méthode bien connue par l’art antérieur), puis on calcule la densité moyenne d'intérêt (DM) grâce au volume d’intérêt (VI) et à partir de la somme des équivalents de poids de chaque voxel. For the step (d) of determining the average density of interest (MD) of each volume of interest (VI), the weight equivalents of each voxel in a volume of interest (VI) are calculated (by to its value of gray level which can be transformed into density and weight according to a method well known in the art previous), then the average density of interest (MD) is calculated from the volume of interest (VI) and from the sum of the weight equivalents of each voxel.
Cette étape (d) de détermination de la densité moyenne d'intérêt (DM) peut par exemple être réalisée à l’aide d'une des méthodes dérivées de la théorie mathématique de la quadrature de Gauss pour passer du volume du sous-ensemble des voxels à celui du volume d'intérêt (VI). This step (d) of determining the average density of interest (MD) can for example be performed using one of the methods derived from the mathematical theory of Gaussian quadrature to pass from the volume of the subset of the voxels to that of the volume of interest (VI).
Enfin, l’étape (e) de détermination comporte préférentiellement, pour au moins une fonction de régression (Frég) : Finally, the determination step (e) preferably comprises, for at least one regression function (Frég):
une sous-étape de définition littérale d’au moins une fonction de conversion (Fconv) comprenant comme variable au moins une densité moyenne d'intérêt (DM) pour chaque vertèbre témoin (VT) ; une sous-étape de calcul des images mathématiques (I) par cette fonction de conversion (Fconv) appliquée aux valeurs des densités moyennes d'intérêt (DM) calculées en (d) pour chaque vertèbre témoin (VT) ; a sub-step of literally defining at least one conversion function (Fconv) comprising as variable at least one average density of interest (MD) for each control vertebra (VT); a sub-step of calculating the mathematical images (I) by this conversion function (Fconv) applied to the values of the average densities of interest (MD) calculated in (d) for each control vertebra (VT);
une sous-étape de corrélation de ces images mathématiques (I) de chaque fonction de conversion (Fconv) avec les forces maximales de résistance à l'arrachement expérimentales (FAEX) mesurées à l'étape (b) ; une sous-étape de définition littérale de sa fonction de régression (Frég) associée à la corrélation ; a sub-step of correlating these mathematical images (I) of each conversion function (Fconv) with the maximum forces of experimental tear resistance (FA EX ) measured in step (b); a sub-step of literal definition of its regression function (frig) associated with the correlation;
une sous-étape de calcul des marges d'erreur statistique et de la significativité statistiques pour chaque corrélation. a substep of calculating statistical error margins and statistical significance for each correlation.
L’utilisation de la ou des fonctions de régression (Frég) associée à chaque fonction de conversion (Fconv) incluant comme variables une ou des densités moyennes d'intérêt (DM) et éventuellement d'autres paramètres morphologiques et de paramètres d'indice de texture de trame osseuse, permet pour le ou les mêmes paramètres calculés à l'étape (g) pour une vertèbre déterminée (VD), et transformés par les mêmes fonctions de conversion (Fconv), d'obtenir l'estimation de forces maximales de résistance à l’arrachement personnalisées (FA). The use of the regression function or functions (Freg) associated with each conversion function (Fconv) including as variables one or more average interest densities (MD) and possibly other morphological parameters and index parameters. bone structure texture, allows for the same parameters calculated in step (g) for a determined vertebra (VD), and transformed by the same conversion functions (Fconv), to obtain the estimate of maximum forces of Custom tear resistance (FA).
En d’autres termes, on combine les densités moyennes d'intérêt (DM) des volumes d’intérêt sélectionnés (VI), et éventuellement d'autres paramètres morphologiques ou des indices de texture de trame osseuse, ce qui peut correspondre, par exemple, à la formule suivante : In other words, the average interest densities (MD) of the selected interest volumes (VI), and possibly other morphological parameters or bone frame texture indices are combined, which may correspond, for example , to the following formula:
« Fconv[n] = a . DM[1] + b . DM[2] + ... + x . DM[w] ». Par exemple, avec une seule densité moyenne d'intérêt (DM), on peut avoir une fonction de régression « m » (Frég) formulée comme suit : "Fconv [n] = a. DM [1] + b. DM [2] + ... + x. DM [w] ". For example, with a single average density of interest (MD), one can have a regression function "m" (Freg) formulated as follows:
« Fconv[m]= 1. DM[Corps Antérieur Vertébral] », soit « Fconv[m]= DM [Corps Antérieur Vertébral] » . "Fconv [m] = 1. DM [Anterior Vertebral Body]", ie "Fconv [m] = DM [Anterior Vertebral Body]".
Enfin, les paramètres de définition de la droite de régression permettent d’obtenir, à partir des images (I) de la fonction de conversion (Fconv) appliquée aux paramètres (DM) de la vertèbre déterminée (VD), une estimation de la force maximale de résistance à l’arrachement (FA). Finally, the definition parameters of the regression line make it possible to obtain, from the images (I) of the conversion function (Fconv) applied to the parameters (DM) of the determined vertebra (VD), an estimation of the force maximum tear resistance (FA).
La définition des paramètres de la fonction de régression (Frég) correspond aux valeurs (pente + valeur à l’origine) de la droite de régression linéaire. The definition of the parameters of the regression function (Freg) corresponds to the values (slope + value at the origin) of the linear regression line.
La fonction de régression peut prendre la forme « y = a . x + b », où : The regression function can take the form "y = a. x + b "where:
« y » correspond à l'estimation la force maximale de résistance à l’arrachement (FA) de la vis d’ancrage dans une vertèbre déterminée (VD) que l'on souhaite obtenir ; "Y" is the estimate of the maximum pull-out force (FA) of the anchor screw in a determined vertebra (VD) that is desired;
« x » correspond à la valeur de la fonction de conversion (Fconv) pour les données de la vertèbre déterminée (VD) ; "X" is the value of the conversion function (Fconv) for the determined vertebra data (VD);
« a » correspond à la pente de la droite régression linéaire ; "A" corresponds to the slope of the straight linear regression;
« b » correspond à la valeur à l’origine de droite de la régression linéaire. Soit : FA[n](VD) = a . Fconv[n](VD) + b, avec Fconv[n](VD) = ai . DM[VD][1 ] + a2 . DM[VD][2] + ... + aw . DM[VD][w] "B" is the right-hand value of the linear regression. Let: FA [n] (VD) = a. Fconv [n] (VD) + b, with Fconv [n] (VD) = ai. DM [VD] [1] + a 2 . DM [VD] [2] + ... + a w . DM [RV] [w]
Pour améliorer la composition de la fonction de conversion (Fconv), une étude de variation des coefficients de pondération des densités moyennes d'intérêt (DM) peut-être pratiquée. To improve the composition of the conversion function (Fconv), a study of variation of the weighting coefficients of the average interest densities (MD) can be performed.
De même, les densités moyennes d'intérêt (DM) peuvent subir des transformées pour les linéariser (fonction logarithmique, exponentielle, polynomiale, ... ). Similarly, the average interest densities (MD) can undergo transforms to linearize (logarithmic function, exponential, polynomial, ...).
Puisque l'on peut calculer autant d'estimations de forces maximales d’arrachement estimées (FA) par vertèbre (VD) qu'il existe de fonctions de régression (Frég) et donc de fonctions de conversion (Fconv), suivant le présent mode de réalisation, l’étape (e) comporte une sous-étape finale de sélection des estimations de forces maximales de résistance à l’arrachement (FA) pour un site d'insertion dans une vertèbre spécifique (VD). Since it is possible to calculate as many estimates of maximum tearing forces estimated (FA) per vertebra (VD) as there are regression functions (Freg) and thus conversion functions (Fconv), according to the present mode embodiment, step (e) comprises a final sub-step of selecting the maximum pull-out force (FA) estimates for a specific vertebra insertion site (VD).
Cette sous-étape finale de sélection est réalisée en fonction de critères qui comportent, pour chaque corrélation, un coefficient de détermination (R2) et/ou une valeur d’erreur type d'estimation (SEE). Ces conditions permettent d'éliminer des fonctions de conversion [Fconv] qui n'aboutissent pas à une corrélation suffisante ou à une SEE trop grande, et ainsi d'éliminer des volumes d'intérêt (VI) qui ne sont jamais contributifs de fonctions de conversion (Fconv) statistiquement performantes, ceci basé sur la collection de vertèbres testées (VT) . This final sub-step of selection is performed according to criteria which comprise, for each correlation, a coefficient of determination (R 2 ) and / or a standard error estimation value (SEE). These conditions make it possible to eliminate conversion functions [Fconv] that do not result in sufficient correlation or SEE too high, and thus eliminate volumes of interest (VI) that are never contributory to statistically efficient conversion functions (Fconv), this is based on the collection of vertebrae tested (VT).
Ces critères de sélection peuvent également intégrer d'autres contraintes d’utilisation du procédé: technologiques, pratiques, financières, de temps passé nécessaire à la réalisation du procédé, des limitations du système d'imagerie clinique utilisée, et la facilité ou à la reproductibilité du positionnement des volumes d’intérêt (VI) ou à d'autres critères mesurés lors d'une étude clinique. These selection criteria may also include other process use constraints: technological, practical, financial, time spent on the process, limitations of the clinical imaging system used, and ease or reproducibility. the placement of the volumes of interest (VI) or other criteria measured in a clinical study.
On classe les estimations de forces maximale de résistance à l'arrachement obtenues par R2 décroissant et/ou par SEE décroissant. Grâce à ces classements, on peut restreindre la pré-sélection de fonctions de conversion (Fconv) à la facilité pour les déterminer ou parce qu'elles répondent de manières plus réaliste aux contraintes de mise en œuvre, tout en s'approchant de manière acceptable d'autres fonction de conversion (Fconv) dont les marges d'erreur sont les plus faibles. The estimates of maximum pull-out forces obtained by decreasing R 2 and / or decreasing SEE are classified. With these rankings, it is possible to restrict the pre-selection of conversion functions (Fconv) to the ease of determining them or because they respond more realistically to implementation constraints, while approaching in an acceptable manner. other conversion functions (Fconv) whose error margins are the lowest.
En conclusion des étapes de la première partie du procédé, on a ainsi défini des volumes d’intérêt (VI), leurs densités moyennes d'intérêt respectives (DM), des fonctions de conversion (Fconv) liant une ou plusieurs ces densités (DM), la corrélation entre les images mathématiques (I) de chacune de ces fonctions de conversion (Fconv) et les forces expérimentales (FAEx), ainsi que les marges d'erreur statistique, et la détermination des paramètres de définitions de la droite de régression et donc de la fonction de régression (Frég) pour chaque fonction de conversion (Fconv). In conclusion of the steps of the first part of the method, it has thus defined volumes of interest (VI), their respective average densities of interest (DM), conversion functions (Fconv) linking one or more of these densities (DM ), the correlation between the mathematical images (I) of each of these conversion functions (Fconv) and the experimental forces (FAE x ), as well as the statistical error margins, and the determination of the definition parameters of the straight line of regression and thus the regression function (Freg) for each conversion function (Fconv).
Pour la deuxième partie du procédé selon l’invention, les étapes sont les suivantes : For the second part of the process according to the invention, the steps are as follows:
- acquisition pour une vertèbre déterminée (VD), ici L4, d’au moins une donnée unitaire de densité (du) ainsi que leurs coordonnées spatiales dans le rachis d'un patient par la ou les mêmes techniques d’imagerie (Tl) qu'à l'étape (a) ; acquisition for a given vertebra (VD), here L4, of at least one unit density data (du) as well as their spatial coordinates in the spine of a patient by the same imaging technique (Tl) that in step (a);
- positionnement dans la vertèbre déterminée (VD) des volumes d’intérêt Vl[1] et Vl[2] pour obtenir des volumes analogues à ceux définis en (c) ; positioning in the determined vertebra (VD) of the volumes of interest V1 [1] and V1 [2] to obtain volumes similar to those defined in (c);
- calcul pour les volumes d’intérêt Vl[1] et Vl[2] de la vertèbre déterminée (VD) à partir des données unitaires d’imagerie (du) acquises à l'étape (f), le sous-ensemble des données unitaires {du[vi], du[v2], ... , du[vp]} étant attribué au volume Vl[1] pour le calcul de DM[1] de la vertèbre déterminée (VD) et le sous-ensemble {du[wi], du[w2],... , du[wp]} étant attribué au volume d’intérêt Vl[2] pour le calcul de DM[2], les deux sous- ensembles étant attribuées respectivement aux deux volumes d'intérêt (VI) par leurs coordonnées spatiales lors de l'opération de segmentation de la vertèbre déterminée (VD) L4 (manuelle, automatisée ou semi- automatisée), puis on en déduit leurs densités moyennes d'intérêt DM[1] et DM[2] grâce à la détermination du poids de chacun des deux volumes;calculating for the volume of interest Vl [1] and Vl [2] of the determined vertebra (VD) from the imaging unit data (du) acquired in step (f), the subset of the data units of [vi], [v2], ..., [v p ]} being assigned to volume Vl [1] for the calculation of DM [1] of the vertebra determined (VD) and the subset {of [wi], [w2], ..., of [w p ]} being attributed to the volume of interest Vl [2] for the calculation of DM [2], the two subsets being assigned respectively to the two volumes of interest (VI) by their spatial coordinates during the operation of segmentation of the determined vertebra (VD) L4 (manual, automated or semi-automated), and then deduced therefrom their average densities of interest DM [1] and DM [2] by determining the weight of each of the two volumes;
- application des deux fonctions de régression (Frég) issues de la pré sélection à l’étape (e), aux densités moyennes d'intérêt DM[1] et DM[2] issues de l’étape (h), pour déterminer des estimations des deux forces maximales de résistance à l’arrachement (FAEX[2] et FAEX[3]) de la vis d'ancrage pour la vertèbre déterminée (VD) L4. application of the two regression functions (Frég) resulting from the pre-selection in step (e), to the average interest densities DM [1] and DM [2] resulting from step (h), to determine estimates of the two maximum pull-out forces (FA EX [2] and FA EX [3]) of the anchor screw for the determined vertebra (VD) L4.
Dans cette deuxième partie du procédé, la ou les techniques d’imagerie (Tl) sont les mêmes pour la vertèbre déterminée (VD) que celles utilisées pour l’étape d’acquisition de données d’imagerie pour les vertèbres témoins (VT). In this second part of the method, the imaging technique (s) (Tl) are the same for the determined vertebra (VD) as those used for the imaging data acquisition step for the control vertebrae (VT).
Selon le présent mode de réalisation, l’étape de transposition pour la vertèbre déterminée (VD) comporte également : According to the present embodiment, the transposition step for the determined vertebra (VD) also comprises:
une sous-étape de segmentation de la vertèbre (VD), ou directement des volumes d'intérêt (VI) sur les images acquises par la ou des techniques d’imagerie (Tl) ; a substep of vertebral segmentation (VD), or directly volumes of interest (VI) on the images acquired by the one or more imaging techniques (T1);
une sous-étape d'exclusion des reconstructions osseuses pathologiques ou des tissus non osseux grâce au détourage de la vertèbre ou directement des volumes d’intérêt (VI) lors de cette segmentation. a substep of exclusion of pathological bone reconstructions or non-bone tissue by vertebra clipping or directly of the volumes of interest (VI) during this segmentation.
Toujours selon le présent mode de réalisation et comme pour l’étape (c) de définition des deux volumes d’intérêt (VI), l’étape de transposition de la deuxième partie du procédé peut être réalisée en déformant un modèle numérique générique décrivant ces deux volumes d'intérêt (VI) types pour les conformer à la vertèbre déterminée (VD) ; Still according to the present embodiment and as for the step (c) of definition of the two volumes of interest (VI), the step of transposition of the second part of the process can be carried out by deforming a generic numerical model describing these two typical interest volumes (VI) for conforming to the determined vertebra (VD);
L’utilisation du modèle numérique générique est réalisée la même manière et avec les mêmes avantages que pour l’étape (c) précédemment décrite. The use of the generic digital model is carried out in the same manner and with the same advantages as for step (c) previously described.
Dans la deuxième partie du procédé, on applique les deux fonctions de régression (Frég[2] et Frég[3]), issues de l’étape (e) de la première partie du procédé aux paramètres obtenus pour la vertèbre déterminée (VD) pour calculer trois estimations de forces maximale de résistance à l'arrachement (FA[2] et FA[3]). Dans l'exemple d’application, on prend l'hypothèse que la fonction de conversion Fconv[3] est la meilleure en terme de marge d'erreur (R2=0,78 et SEE=12,7 %) par rapport à Fconv[2] également présélectionnée, et que l'on peut la retenir puisque l'on pose également que la vertèbre déterminée (VD) semble intacte à l'imagerie médicale (Tl) et à l'examen clinique pour les volumes d'intérêt Vl[1] et Vl[2] On prend l'hypothèse que la pente de la droite de régression est « e » est 2437 et que la valeur à l'origine de « f » est - 841. Le résultat de Fconv[3] pour la vertèbre déterminé (Fconv[3](VD)) est 0,3451 g(HA).mm 3. L'application de la fonction de régression Frég[3] aux paramètres de la vertèbre déterminée (VD) (FA[3] = 2437 . Fconv[3](VD) - 841) aboutit au résultat suivant : In the second part of the method, we apply the two regression functions (Freg [2] and Freg [3]) resulting from step (e) of the first part of the method to the parameters obtained for the determined vertebra (VD). to compute three estimates of maximum forces of pullout resistance (FA [2] and FA [3]). In the application example, it is assumed that the conversion function Fconv [3] is the best in terms of margin of error (R 2 = 0.78 and SEE = 12.7%) compared to Fconv [2] also preselected, and that it can be retained since it is also posited that the vertebra determined (VD) seems intact in medical imaging (Tl) and the clinical examination for the volumes of interest Vl [1] and Vl [2] We assume that the slope of the regression line is "e" is 2437 and that the value at the origin of "f" is - 841. The result of Fconv [3] ] for the determined vertebra (Fconv [3] (VD)) is 0.3451 g (HA) .mm 3. The application of the regression function Freg [3] to the parameters of the determined vertebra (VD) (FA [ 3] = 2437. Fconv [3] (VD) - 841) results in the following result:
- FA[3] = 582 N ± 74 N, R2=0,78, SEE=12,7 %, p-value < 0.01 , où 582 N est l'estimation de la force maximale de résistance à l'arrachement (FA) avec une marge d'erreur de ± 74 N et pour un nombre suffisant de 6 mesures de la force maximale de résistance à l'arrachement expérimentale sur des vertèbres témoins (FAEX) de même niveau L4 que la vertèbre déterminée (VD) pour satisfaire la condition de p-value < 0.01.- FA [3] = 582 N ± 74 N, R 2 = 0.78, SEE = 12.7%, p-value <0.01, where 582 N is the estimate of the maximum force of tearing resistance ( FA) with a margin of error of ± 74 N and for a sufficient number of 6 measurements of the maximum force of resistance to experimental tearing on control vertebrae (FAE X ) of the same level L4 as the determined vertebra (VD) to satisfy the condition of p-value <0.01.
L'évaluation d'une force maximale de résistance à l’arrachement (FA) est spécifique aux paramètres définis par le constructeur pour la fabrication de la vis d’ancrage testée sur les vertèbres témoins (VT), et aux principes de la technique chirurgicale d’implantation choisie (site d’implantation et trajectoire), et ne vaut, sans correction, que pour ces mêmes conditions pour la vertèbre déterminée (VD). The evaluation of a maximum force of tearing resistance (FA) is specific to the parameters defined by the manufacturer for the manufacture of the anchor screw tested on the control vertebrae (VT), and to the principles of the surgical technique of implantation chosen (implantation site and trajectory), and is worth, without correction, only for these same conditions for the determined vertebra (VD).
Ensuite, l'opérateur obtient une évaluation de la force correspondant à la force maximale de résistance à l’arrachement (FA) la plus pertinente pour un site d'insertion dans cette vertèbre déterminée (VD), en supposant à chaque fois que le même niveau vertébral a été validé lors des étapes (a) à (e). Then, the operator obtains an evaluation of the force corresponding to the maximum force of tearing resistance (FA) most relevant for an insertion site in this determined vertebra (VD), assuming each time that the same vertebral level was validated during steps (a) to (e).
Le clinicien peut répéter les étapes de la deuxième partie du procédé pour toutes les vertèbres (VD) qu'il désire implanter pour ce patient. The clinician can repeat the steps of the second part of the procedure for all vertebrae (VD) he wants to implant for this patient.
Avec ces évaluations de force maximale de résistance à l’arrachement (FA), un chirurgien peut estimer si la tenue (en Newton) est suffisante pour chacune des vis à implanter pour les vertèbres du patient (VD) afin de supporter les contraintes mécaniques des moments de force transmis à l'ensemble des vis lors du couplage des vis aux tiges pour obtenir la ou les corrections envisagées. With these assessments of maximum pull-out strength (FA), a surgeon can estimate whether holding (in Newton) is sufficient for each of the screws to be implanted for the patient's vertebrae (VD) in order to withstand the mechanical stresses of the patient. moments of force transmitted to all the screws during the coupling of the screws to the rods to obtain the correction or corrections envisaged.
Le praticien peut alors optionnellement employer les valeurs des estimations (FA) dans un logiciel de simulation numérique conçu pour évaluer si les manœuvres que le chirurgien souhaite réaliser respectent les recommandations de la littérature médicale scientifique. The practitioner can then optionally use the values of the estimates (FA) in a numerical simulation software designed to evaluate whether the maneuvers that the surgeon wishes to achieve comply with the recommendations of the scientific medical literature.
Suite à ces évaluations, éventuellement avec les mêmes outils de simulation, le chirurgien peut envisager plusieurs options : Following these evaluations, possibly with the same simulation tools, the surgeon can consider several options:
valider l’implantation des vis d’ancrages envisagées selon la technique chirurgicale classique ; validate the implantation of anchoring screws envisaged according to the conventional surgical technique;
diminuer ou augmenter le nombre de vis ou de niveaux vertébraux envisagés pour l’implantation des vis d’ancrage ; to decrease or increase the number of screws or vertebral levels envisaged for the implantation of the anchoring screws;
ou faire appel à d'autres traitements supplémentaires ou complémentaires médicamenteux, chirurgicaux ou radio- interventionnels. or use other additional treatments or additional medications, surgical or radio-interventional.
Ainsi, après prise en compte de facteurs de correction en gain de tenue des forces d'arrachement (FA) promis par les solutions de contournement, il peut arrêter sa stratégie chirurgicale pour ce patient. Thus, after taking into account correction factors in resistance of holding forces (FA) promised by the bypass solutions, he can stop his surgical strategy for this patient.
Le procédé d’évaluation selon l’invention permet ainsi d’obtenir des informations pour une planification chirurgicale spécifique pour un patient, permettant d’évaluer la nécessité du recours à des traitements complémentaires ou supplémentaires médicaux, chirurgicaux ou radio-interventionnels. The evaluation method according to the invention thus makes it possible to obtain information for a specific surgical planning for a patient, making it possible to evaluate the need for the use of complementary or additional medical, surgical or radio-interventional treatments.
Le procédé d’évaluation selon l’invention permet également de déduire facilement l’impact sur l'estimation de la force de résistance à l'arrachement maximale (FA) d’une vis d’ancrage la plus longue ou du plus gros diamètre possible pour la même vertèbre (VD). The evaluation method according to the invention also makes it easy to deduce the impact on the estimation of the maximum pull-out force (FA) of a longer anchoring screw or the largest possible diameter. for the same vertebra (VD).
A cet effet, on mesure les longueurs d’insertion des vis d’ancrage dans les vertèbres témoins (VT), par exemple dans le pédicule et dans le corps antérieur, et également la plus courte distance du bord extérieur de la vis au bord extérieur du cortex du pédicule. For this purpose, the insertion lengths of the anchoring screws are measured in the control vertebrae (VT), for example in the pedicle and in the anterior body, and also the shortest distance from the outer edge of the screw to the outer edge. of the pedicle cortex.
En effet, il est intéressant de prendre en compte la distance la plus courte entre les limites extérieures du corps de la vis et la corticale du pédicule que la vis traverse de part en part pour aboutir dans le corps antérieur, distance mesurée sur la droite perpendiculaire à l'axe longitudinal de la vis. Plus la vis d’ancrage est proche de la corticale, et si elle respecte l'intégralité de cette corticale, plus l’ancrage est efficace en augmentant la compaction de l'os spongieux entre le corps de la vis et la corticale. Indeed, it is interesting to take into account the shortest distance between the outer limits of the body of the screw and the cortex of the pedicle that the screw passes right through to end in the anterior body, distance measured on the perpendicular line to the longitudinal axis of the screw. The closer the anchoring screw is to the cortex, and if it respects the entire cortex, the better the anchoring is by increasing the compaction of the cancellous bone between the body of the screw and the cortex.
De la même manière, on peut mesurer le volume résiduel qui persisterait entre la surface externe de la vie et la corticale du pédicule. Il peut aussi être intéressant d'analyser par micro-tomographie à rayons X pour les vertèbres témoins (VT) avant et après insertion d'une vis, l'impact de l'insertion de la vis étudiée sur la compaction de l'os trabéculaire au voisinage de la vis et son influence sur la force maximale de résistance à l’arrachement expérimentale (FAEX) et de d'intégrer la modélisation personnalisée du gradient de compaction à la vertèbre déterminée (VD) en fonction des paramètres de la vis. In the same way, one can measure the residual volume that would persist between the outer surface of life and the cortical pedicle. It may also be interesting to analyze by micro-X-ray tomography for the control vertebrae (VT) before and after insertion of a screw, the impact of the insertion of the studied screw on the compaction of the trabecular bone. in the vicinity of the screw and its influence on the maximum force of resistance to experimental tearing (FAE X ) and to integrate the personalized modeling of the compaction gradient at the determined vertebra (VD) according to the parameters of the screw.
On peut aussi composer une fonction liant deux ou plus de ces trois paramètres pour attribuer à chaque volume traversé (VI) par la vis une participation à la force maximale de résistance à l’arrachement (FA). One can also compose a function linking two or more of these three parameters to assign to each volume crossed (VI) by the screw a participation in the maximum force of tearing resistance (FA).
Pour une même gamme de vis, on peut ainsi évaluer l’implantation de vis présentant un diamètre et/ou une longueur différents. For the same range of screws, it is thus possible to evaluate the implantation of screws having a different diameter and / or length.
On peut aussi réajuster les estimations de forces maximale de résistance à l'arrachement (FA) obtenues avec les paramètres d'une autre technique chirurgicale donnée, ou d'une technique d'augmentation de la densité osseuse, ou de tout autre solution de contournement évoquées. Par exemple, des parutions scientifiques évaluent à environ 2,5 le coefficient à appliquer aux forces (FA) obtenues par une méthode classique d’insertion, par rapport à celles obtenues par une augmentation de la densité du corps vertébral antérieur par infiltration de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) au moyen de vis pédiculaires canulées et perforées par rapport à des vis de conception identique sans perforations et sans infiltration de PMMA. One can also readjust the estimates of maximum pull-out forces (FA) obtained with the parameters of another given surgical technique, or a technique of increasing bone density, or any other workaround mentioned. For example, scientific publications estimate at about 2.5 the coefficient to be applied to the forces (FA) obtained by a conventional method of insertion, compared to those obtained by an increase in the density of the anterior vertebral body by infiltration of polymethacrylate. Methyl (PMMA) using cannulated pedicle screws and perforated compared to screws of identical design without perforations and without infiltration of PMMA.
Les estimations de forces maximales de résistance à l'arrachement (FA) peuvent être confrontées au suivi clinique post-opératoire des patients afin de les évaluer comme prédicteurs à court, moyen et long terme des complications des interventions chirurgicales (déplacements des vis, pseudarthrose, débricolages, ... ). Estimates of maximum tensile strengths (FA) can be compared with postoperative clinical follow-up of patients to evaluate them as predictors in the short, medium and long term complications of surgical procedures (screw movements, non-union, handicrafts, ...).
Les variations de la distribution des densités (DM) entre deux populations dont les données unitaires (du) sont acquises de la même manière aux étapes (a) et/ou (f), ainsi que d'autres paramètres, peuvent être comparées afin de calculer les estimations des forces (FA) d'un patient d'une première population avec les fonctions de conversion (Fconv) déterminées pour une autre population moyennant un ajustement en rapport avec ces variations de ces fonctions de conversion (Fconv). Variations in the density distribution (DM) between two populations whose unit data (du) are acquired in the same way in steps (a) and / or (f), as well as other parameters, can be compared to calculating the force estimates (FA) of a patient of a first population with the conversion functions (Fconv) determined for another population by adjusting for these variations of these conversion functions (Fconv).
L'obtention de données per-opératoires lors de l'implantation réelle des vis pédiculaires peut permettre d'améliorer les estimations (FA) tant en valeur qu'en terme de marges d'erreur statistique. Par exemple, une étude clinique des appréciations des praticiens sur les estimations données (FA), un suivi clinique post- opératoire, ou la mesure du couple de force appliqué par le tournevis à chacune des vis insérée dans les vertèbres des patients. Obtaining intraoperative data during the actual implantation of the pedicle screws may make it possible to improve the estimates (FA) both in terms of value and in terms of statistical margins of error. For example, a clinical study of practitioners' assessments of the estimates given (FA), a post-clinical follow-up operative, or measuring the torque of force applied by the screwdriver to each of the screws inserted into the vertebrae of the patients.
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