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Conception d'un dispositif de contusion antérieure de la moelle épinière d'un modèle porcin

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Moore, Daniel (2019). Conception d'un dispositif de contusion antérieure de la moelle épinière d'un modèle porcin. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation de modèles animaux pour la reproduction des blessures médullaires permet de rapprocher les modèles expérimentaux des lésions médullaires observées cliniquement. Dans le cas des fractures comminutives, les lésions observées proviennent de l’éclatement du corps vertébral et de la projection de fragments osseux qui provoquent une compression antérieure de la moelle épinière. Les études expérimentales sur ce sujet parviennent à recréer la blessure issue de l’impact initial sur la moelle épinière, mais ne se penchent pas suffisamment sur les conséquences que peuvent avoir la lésion issue de la compression résiduelle.

Le présent projet de maîtrise propose le développement d’un dispositif et d’une méthodologie expérimentale pour étudier l’effet de la compression résiduelle dans la biomécanique des fractures comminutives avec lésions médullaires antérieures sur un modèle porcin. Les objectifs spécifiques de l’étude sont :
1. Concevoir, fabriquer et valider un banc d’essai expérimental motorisé en mesure de reproduire une contusion de la moelle épinière sur un modèle animal in vivo;
2. Concevoir et fabriquer un dispositif physique fonctionnel qui permet de recréer la contusion initiale sur la moelle épinière et de maintenir la compression résiduelle dans le temps;
3. Valider le dispositif en l’implantant sur la colonne vertébrale d’un modèle in vitro et en procédant à des tests expérimentaux selon différents degrés de blessure.

Un cahier des charges a dressé les bases de la conception du dispositif pour tenter de répondre à cette problématique. Plusieurs solutions ont été proposées et un barème d’évaluation a permis de les filtrer afin de cerner le concept le plus prometteur. Le concept final, composé de quatre pièces distinctes, a d’abord été évalué grâce à une analyse par éléments finis pour montrer qu’il pouvait résister à des moments d’une amplitude de ±5 N-m appliqués en flexion-extension et en inflexion latérale imitant les mouvements anatomiques d’un modèle porcin éveillé.

Avant l’évaluation expérimentale du dispositif, un banc d’essai été conçu et validé dans l’optique de reproduire des blessures médullaires sur modèles animaux in vivo. Le concept initial a été repris de la proposition d’un étudiant du Laboratoire d’imagerie et d’orthopédie, soit M. Francis Cliche, qui a entamé la conception de cette table chirurgicale dans son mémoire de maîtrise. Des améliorations majeures ont été apportées en fonction de ses recommandations et des observations faites lors de la reprise du projet. Le banc d’essai a été assemblé et testé sur un modèle porcin in vivo. La chirurgie a montré le potentiel du banc d’essai experimental et elle a validé la pertinence d’un impacteur motorisé, capable de reproduire une contusion dynamique de la moelle épinière dynamique (~750 mm/s) et de la maintenir pendant plusieurs minutes.

Ensuite, le prototype du dispositif de contusion a été soumis à des tests expérimentaux en flexion-extension et en inflexion latérale afin d’observer à la fois sa résistance mécanique et de mesurer la précision de la compression résiduelle imposée. Des complications technologiques ont forcé à mesurer cette variation de la compression de façon indirecte grâce à un capteur de distance pointé sur le fond du canal médullaire. Des tests sur 12 segments vertébraux porcins in vitro ont révélé que le fond du canal médullaire pouvait osciller de 1 à 3 mm de hauteur, suggérant qu’il serait difficile de maintenir une compression résiduelle precise pendant plusieurs heures sur un animal éveillé. Ce dispositif novateur propose une approche intéressante pour étudier expérimentalement l’effet du temps de compression sur la gravité des lésions médullaires sur un modèle animal vivant. Il permet de refermer l’animal après la contusion initiale et il est biocompatible, promettant de diminuer les risques d’infection de complications chirurgicales.

Titre traduit

Design of an anterior spinal cord injury device for porcine model

Résumé traduit

The use of animal models to reproduce spinal cord injuries (SCI) are especially useful to close the gap between experimental models and SCI observed in clinical reality. In burst fractures, spinal injuries are caused by the disruption of the vertebral body and the retropulsion of posterior bone fragments into the spinal canal, leading to acute anterior compression of the spinal cord. Current experimental studies are able to reproduce the acute SCI, but don’t emphasize enough on the consequences of secondary injury mechanisms on the damage to the spinal cord tissues.

This project focuses on the design of an experimental device and methodology to study the effects of the residual compression observed in burst fractures on the severity of an anterior SCI. The specific objectives of the study are to:
1. Design, build, and validate an experimental motorised test bench able to reproduce a Spinal Cord Injury in vivo on a large animal model (porcine);
2. Design and build a functional device that reproduces an anterior spinal cord acute compression and that is able to maintain a residual compression over time;
3. Validate the device by fixing it on an in vitro porcine spine and by recreating experimental tests under different injury degrees.

The technical specifications of the device were written to guide the design process in order to best answer the research problem. A few potential solutions were suggested and put through a scale of assessment to output the most promising concept. The final solution, made of four distinct components, was first evaluated with a finite element analysis to show it could withstand moments of magnitude ±5 N-m in flexion/extension, and lateral inflexion, mimicking the anatomic movements of a live pig model.

Before the experimental evaluation of the device, a surgical test bench was designed to study spinal cord injuries on in vivo animal models. The initial concept was taken from the proposition of a previous project at the Imagery and Orthopaedic Research Laboratory, realized by Mr. Francis Cliche who started the design of this surgical table during his master degree. Major modifications were implemented following his recommendations and the observations at beginning of the current project. The test bench was then assembled and tested on a live pig model. The surgery showed the potential of the test bench and demonstrated the relevance of a motorised impactor, which is able to reproduce acute spinal cord compression at an impact speed close to 750 mm/s and to hold it for a few minutes.

Then, the functional prototype of the device was submitted to experimental tests in flexion/extension and lateral inflexion to observe both its mechanical resistance and the precision of the residual compression imposed. Due to technological limitations, we chose an indirect measurement of the residual compression, using a distance sensor aimed at the bottom of the spinal canal. The tests performed on 12 in vitro pig vertebral segments revealed that the distance between the device and the bottom of the spinal canal could vary from 1 to 3 mm in height, meaning it may be difficult to hold a residual compression for several hours on a live pig. Nevertheless, this innovative device offers an interesting approach to study experimentally the effects of residual compression on the severity of SCI on a live animal model. It is designed to allow wound closure immediately after surgery and it is biocompatible, therefore limiting the risks of infection and surgical complications.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 217-230).
Mots-clés libres: dispositif, blessure médullaire, compression résiduelle, temps de compression, fracture comminutive, contusion antérieure, porcin, modèle animal, impacteur, banc d’essai
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Codirecteur:
Codirecteur
Wagnac, Éric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 18 avr. 2019 19:27
Dernière modification: 18 avr. 2019 19:27
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2278

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