DÉFI DU CLIENT
On dénombre chaque année dans le monde 1,4 million de lésions médullaires liées à un traumatisme¹, dont 15 % nécessitent une intervention chirurgicale². Bon nombre de ces cas concernent des adolescents pleins d’avenir, ce qui rend l’élimination de la douleur et la restauration de la mobilité particulièrement essentielles. Améliorer le temps de guérison est également essentiel. Selon une étude irlandaise récente, les patients souffrant de lésions médullaires liées à un traumatisme nécessitent en moyenne 46 jours de soins hospitaliers.
L’Institut de technologie de Tallaght (ITT Dublin) est une institution universitaire située dans le sud de Dublin, en Irlande. Le Bioengineering Technology Center (BTC) propose des recherches appliquées au sein de l’Ecole d’ingénieurs de l’ITT, offrant un enseignement intensif à une poignée d’étudiants poursuivant des études supérieures en ingénierie biomécanique. Le BTC s’efforce d’appliquer les principes d’ingénierie aux problèmes médicaux, dans le but de produire de nouvelles innovations pouvant être utilisées dans la pratique clinique pour améliorer la qualité de vie des patients.
Plus récemment, le BTC a concentré ses recherches appliquées sur l’optimisation de deux procédures de chirurgie de la colonne vertébrale largement utilisées (la stabilisation de la fracture vertébrale et la cyphoplastie par ballonnet) pour aider les chirurgiens à obtenir les meilleurs résultats et à réduire au minimum les complications post-opératoires courantes, les deux réduisant le temps d’hospitalisation.
La procédure de stabilisation de la fracture vertébrale utilise des vis et des tiges pour stabiliser mécaniquement la partie blessée de la colonne vertébrale. La cyphoplastie par ballonnet utilise un ballonnet gonflable pour restaurer la hauteur d’une vertèbre effondrée, suivie d’une injection de ciment osseux pour stabiliser la structure.De nombreux patients ayant subi une cyphoplastie se fracturent les zones adjacentes de leur colonne vertébrale après être guéris suite à la chirurgie.
L’optimisation des deux procédures implique les mêmes enjeux pour le BTC. Les chercheurs doivent trouver un moyen de collecter des données d’essai significatives dans un environnement de laboratoire d’essai, grâce à la réplication précise des charges et des moments in vivo de la colonne vertébrale humaine.
« La colonne vertébrale est un domaine d’étude fascinant, car il s’agit d’un système mécanique si complexe avec tant d’incertitudes », a déclaré Colin Bright, l’étudiant de troisième cycle qui dirige l’étude de stabilisation des fractures. « Notre objectif était de saisir des données à partir de simulations réelles et de les adapter à un environnement d’essai afin de réduire les inconnues liées à la stabilisation des fractures et la cyphoplastie par ballonnet. »
SOLUTIONS MTS
Le BTC utilise un système d’essai MTS modèle 858 Bionix® avec des contrôleurs MTS FlexTest® et le logiciel MTS MultiPurpose TestWare® pour soutenir ses initiatives de recherche appliquée. Ce système servohydraulique peut simuler avec précision une gamme complète de mouvements sur les échantillons de la colonne vertébrale dans six degrés de liberté, y compris la flexion, l’extension, la flexion latérale, la torsion, le cisaillement de l’axe X et le cisaillement de l’axe Z. Les données de charge d’essai d’une cellule de charge à six degrés de liberté et les données de déplacement d’essai des capteurs de déplacement angulaire sont acquises pendant les simulations cinématiques sur le système d’essai.
Les études de stabilisation des fractures et de cyphoplastie par ballonnet utilisent des échantillons de vertèbres porcines, dont la taille et
la structure sont similaires à celles de la colonne vertébrale humaine. Le système d’essai Bionix de MTS est d’abord utilisé pour induire des lésions médullaires que les deux procédures traitent généralement. Ensuite, chaque procédure est réalisée sur l’échantillon puis soumise à une série d’essais mécaniques statiques et de fatigue.
Pour la recherche sur les fractures vertébrales, l’équipe évalue d’abord de manière statique les performances des vertèbres lorsqu’elles sont chargées jusqu’à l’échec à travers l’arc neural, ce qui aide à déterminer à la fois la quantité de force requise et la déflexion osseuse lors de l’échec. Ensuite, des jauges de déformation à motif de rosette rectangulaire sont fixées à l’arc neural pour calculer la direction et l’amplitude de la contrainte principale sous diverses charges et mouvements.
Pour la recherche sur la cyphoplastie, une série d’essais de type compression sont utilisés pour évaluer l’efficacité de la procédure de restauration de la
rigidité et de la résistance des vertèbres. Les résultats fourniront des informations précieuses aux chirurgiens pour réduire au minimum, voire éliminer le besoin de fusion vertébrale, tout en maintenant un soutien adéquat pour prévenir d’autres fractures.
« Avec les données que nous recueillons à partir de ces essais, nous sommes sur la bonne voie pour fournir un modèle d’éléments finis validé pour analyser les implications mécaniques du traitement de cyphoplastie », a déclaré Philip Purcell, l’étudiant de troisième cycle qui dirige la recherche sur la cyphoplastie.
AVANTAGES CLIENTS
Selon la fondatrice du BTC, la Dre Fiona McEvoy, la simplicité, la flexibilité et les capacités du système d’essai Bionix de MTS ont été essentielles pour permettre à ses équipes de recherche de découvrir de nouvelles connaissances sur la cinématique de la colonne vertébrale, dont beaucoup sont finalement utilisées dans la salle d’opération.
« Être capable de chorégraphier soigneusement les mouvements de la colonne vertébrale dans le laboratoire d’essai et de corréler ces mouvements avec les données d’essai est une capacité rare, et cela fait de nous une structure très unique et très fréquentée », a déclaré McEvoy. « L’expérience utilisateur de MTS étant si intuitive et les configurations d’essai si rapides, nos étudiants peuvent vraiment faire preuve de créativité et explorer plusieurs approches. »
La communauté irlandaise de la recherche sur la colonne vertébrale attend avec impatience les résultats complets des études de stabilisation des fractures et de cyphoplastie par ballonnet. Ces résultats auront un impact potentiellement mondial, car le BTC entretient une relation de travail étroite avec des chirurgiens de la colonne vertébrale dans toute l’Irlande, qui partagent librement leurs innovations chirurgicales avec des collègues à travers l’Europe et au-delà.
« Avec une meilleure compréhension de la biomécanique de la colonne vertébrale et de la façon dont elle est modifiée après la stabilisation de la fracture et la cyphoplastie par ballonnet, la communauté chirurgicale fera un pas de plus vers l’offre de procédures plus individualisées pour chaque patient sur la base de données validées », a déclaré Philip Purcell. « Les patients passeront moins de temps sur la table d’opération, récupéreront plus rapidement et subiront beaucoup moins de complications post-opératoires. Tout cela fait gagner du temps et de l’argent à toutes les personnes impliquées, sans parler de l’amélioration de la qualité de vie. »
