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Abstract
The main objective of this study was to identify a typical deformation pattern for thoracic and lumbar vertebrae in scoliosis. The second objective consisted of evaluating the morphometric changes present in thoracic pedicles of scoliotic spines. Finally, the last objective was to evaluate the vertebral wedging characteristic changes present in anatomic scoliotic specimens.
Thirty scoliotic specimens from two major osteological sources were studied using a 3-D digitizing protocol developed by our research group using a 3-D digitizer creating a precise 3-D reconstruction of the vertebrae. Parameters (145) were then calculated for each vertebra from these reconstructions. Of those parameters, 22 were specifically targeted at evaluating thoracic pedicle geometry. Vertebral body changes were evaluated with 34 parameters evaluating vertebral body height, vertebral wedging and vertebral torsion. Every scoliotic specimen was then matched with a normal specimen to provide for a representative control group.
A total of 984 vertebrae (472 scoliotic and 512 normal vertebrae) were measured, creating the largest database of normal and scoliotic vertebral specimens. A characteristic deformity pattern was identified consisting of progressive vertebral wedging, decreased pedicle width on the concave side of the curve and articular facets surface varying greatly with all findings increasingly more important towards the apex of the curve and as curve severity increased.
From the morphometric analysis of thoracic pedicles in scoliosis, the following results were obtained. Pedicles located on the concavity of typical right thoracic curves were found to be significantly thinner than their normal counterparts with a maximal mean difference of 1.37 mm at T8. The pedicles on the concavity of the high thoracic compensatory curve were also found to be significantly diminished with a maximal mean difference of 1.68 mm at T4. Mean left pedicle width at T8 (concavity) and mean right pedicle width at T4 (concavity) were found to be 4.08 mm and 2.60 mm respectively.
Vertebral wedging increased progressively towards the apex of the curve and was maximal at the apex. Vertebral wedging was more prominent in the frontal plane and there was minimal wedging in the sagittal plane. Vertebral heights were significantly different at T3, T4 for the upper adjacent curve and at T6, T7 and T8 for a typical right thoracic curve with smaller heights located on the concavity of the curve. Vertebral torsion was maximal at the apex of the curve and in the lumbar region. All findings were statistically significant with p < 0.05. (Abstract shortened by UMI.)
Alternate abstract:
La scoliose est une déformation 3-D qui affecte la position et l’orientation de la colonne dans l’espace. La déformation régionale a été largement étudiée mais la majorité des informations concernant la déformation locale proviennent d’observations isolées basées sur de rares spécimens scoliotiques présentant des courbes sévères.
L’objectif principal de cette étude est d’identifier un patron de déformation locale typique pour les vertèbres thoraciques et lombaires de spécimens scoliotiques. Les objectifs secondaires visaient à évaluer la géométrie locale de pédicules thoraciques et la cunéiformisation vertébrale locale de spécimens scoliotiques.
Trente spécimens scoliotiques provenant de deux collections ostéologiques d’importance ont été étudiés à l’aide d’un protocole de numérisation 3-D développé par notre groupe de recherche, créant une reconstruction 3-D précise de la vertèbre. Des indices géométriques (145) ont ensuite été calculés pour chacune des vertèbres à partir des reconstructions. De ces indices géométriques, 22 caractérisaient plus précisément les pédicules tandis que 34 autres indices évaluaient la cunéiformisation vertébrale locale ainsi que la torsion vertébrale. Chaque spécimen scoliotique a ensuite été apparié à un spécimen sain pour obtenir un groupe contrôle représentatif.
Un total de 984 vertèbres (472 provenant de spécimens scoliotiques et 512 de spécimens sains) ont été mesurées créant la plus grande base de données de spécimens scoliotiques et sains. Un patron de déformation locale a été identifié comprenant une cunéiformisation vertébrale progressive, une diminution de la largeur des pédicules au niveau de la concavité des courbes et une variation de la surface des facettes articulaires. Tous ces changements sont plus importants en approchant de l’apex de la courbe et augmentent proportionnellement à la sévérité de la courbe.
Les résultats suivants ont été obtenus à partir de l’analyse géométrique des pédicules thoraciques de spécimens scoliotiques. Les pédicules situés au niveau de la concavité de courbes thoraciques droites présentent une diminution significative de leur largeur avec une différence moyenne maximale de 1,37 mm à T8. Les pédicules situés au niveau de la concavité de la courbe thoracique haute gauche présentent également une diminution significative de la largeur des pédicules avec une différence moyenne maximale de 1,68 mm à T4. La largeur moyenne gauche de T8 (concavité) et de T4 à droite (concavité) sont de 4,08 mm et de 2,60 mm respectivement. La longueur des pédicules est légèrement plus élevée et la hauteur des pédicules légèrement diminuée sans relation avec la convexité ou concavité. L’inclinaison et l’orientation des pédicules ne sont pas modifiées localement.
La cunéiformisation vertébrale augmente de façon progressive vers l’apex de la courbe et est maximale à l’apex. La cunéiformisation se situe principalement dans le plan frontal de la vertèbre et n’est pas modifiée dans le plan sagittal. Les hauteurs vertébrales sont significativement différentes pour T3 et T4 dans la courbe thoracique haute et à T6, T7 et T8 pour la courbe thoracique droite typique. La torsion vertébrale est maximale à l’apex et est présente de façon significative dans la région lombaire. Toutes les trouvailles sont statistiquement significatives (p < 0,05).
Ces résultats sont d’une grande importance dans l’amélioration des connaissances sur la déformation locale et la compréhension de l’initiation et la progression des courbes scoliotiques. Nos résultats suggèrent de porter une attention particulière à l’utilisation de vis pédiculaires au niveau de la concavité de courbes scoliotiques modérées à sévères. Les résultats démontrent que la cunéiformisation vertébrale se situe principalement dans le plan frontal de la vertèbre. Une connaissance précise de la déformation locale devrait permettre une meilleure détermination des facteurs de progression ainsi qu’une meilleure planification des stratégies chirurgicales visant une correction de la déformation scoliotique.
