The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

Pelvic-Floor Rehabilitation, Part 2 : Pelvic-Floor Reeducation With Interferential Currents and Exercise in the Treatment of Genuine Stress Incontinence in Postpartum Women : A Cohort Study

Background and Purpose. This descriptive cohort study investigated a physical therapy program of pelvic-floor neuromuscular electrostimulation (NMES) combined with exercises, with the aim of developing a simple, inexpensive, and conservative treatment for postpartum genuine stress incontinence (GSI). Subjects. Eight female subjects with urodynamically established GSI persisting more than 3 months after delivery participated in the study. The subjects ranged in age from 24 to 37 years (X̅=32, SD=4.2). Methods. This was a descriptive multiple-subject cohort study. Each subject received a total of nine treatment sessions during 3 consecutive weeks, consisting of two 15-minute sessions of NMES followed by a 15-minute pelvic-floor muscle exercise program. Patients also practiced daily pelvic-floor exercises during the 3-week treatment period. The treatment intervention was measured using three separate variables. Maximum muscle contractions (pretraining, during training, and posttraining) were measured indirectly as pressure, using perineometry. Urine loss pretraining and posttraining was measured by means of a Pad test. Self-reported frequency of incontinence was recorded daily throughout the period of the study, using a diary. Data were analyzed using a one-way repeated measures analysis of variance (ANOVA), a Wilcoxon signed-ranks test, and a Friedman two-way ANOVA by ranks. Results. The results indicated that maximum pressure generated by pelvic-floor contractions was greater and both the quantity of urine loss and the frequency of incontinence were lower following the implementation of the physical therapy program. Five subjects became continent, and three others improved. A follow-up survey 1 year later confirmed the consistency of these results. Conclusion and Discussion. The results suggest that the proposed physical therapy program may influence postpartum GSI. Further studies are needed to validate this simple, inexpensive, and conservative physical therapy protocol.

L’effet des différents facteurs de croissance sur la viabilité et la prolifération des ostéoblastes scoliotiques

Résumé: La Scoliose Idiopathique de l’Adolescent (SIA) est une condition débilitante qui peut avoir comme résultat une douleur importante, une altération du fonctionnement quotidien et une détérioration de la qualité de vie. Pour les patients qui ne répondent pas au traitement conservateur, la fusion vertébrale, en utilisant des greffes osseuses, est devenue un traitement de choix pour stabiliser la colonne. Des connaissances plus pointues à propos des facteurs impliqués dans l’ostéogénèse et la formation de l’os peuvent raccourcir le processus de guérison et permettre aux patients de réintégrer leurs activités dans un laps de temps plus court. Les plaquettes peuvent jouer un rôle important dans la première étape de la guérison des fractures car elles sont une source autologue de plusieurs facteurs de croissance qui soutiennent la prolifération et la différenciation des ostéoblastes in vivo et in vitro. Au cours des dernières années, plusieurs tentatives ont été réalisées afin de trouver des traitements additionnels pour : 1) Raccourcir le temps de guérison des fractures relativement long ; 2) Obtenir une plus courte période de convalescence pour les patients qui ont besoin de prothèses ; 3) Corriger plus facilement plusieurs maladies congénitales; 4) Améliorer le processus de fusion vertébrale et 5) Développer de nouvelles approches thérapeutiques, notamment au niveau des processus régularisant le remodelage osseux et la régénération des tissus osseux. Dans le cadre de la présente étude, j’ai étudié la contribution possible du facteur de croissance de l’insuline (IGF) et du facteur vasculaire endothélial de croissance (VEGF) sur la maturation de l’ostéoblaste scoliotique dans des cultures cellulaires in vitro et j’ai comparé les résultats avec celles obtenues dans les mêmes conditions mais en stimulant les ostéoblastes avec de la mélatonine. Cette étude préliminaire a été réalisée sur des échantillons d’os récoltés de quatre patients atteints par la Scoliose Idiopathique de l‘Adolescent (SIA), ainsi que sur des échantillons d’os issus de quatre sujets témoins (cas traumatiques). Les résultats montrent que l’IGFs et le VEGFs possèdent une action d’inhibition sur la prolifération d’ostéoblastes scoliotiques et non scoliotiques, et que cette action est proportionnelle à la concentration de ces facteurs. Les ostéoblastes scoliotiques tendent à avoir une prolifération cellulaire plus rapide et plus élevée que les témoins non scoliotiques. De façon générale les ostéoblastes provenant de patients scoliotiques ont une ostéogénèse in vitro plus accélérée que le sujet non scoliotique. De plus, il semble que la mélatonine joue un rôle physiologique dans la différenciation de l’ostéoblaste scoliotique et elle semble aider à avoir une différenciation plus précoce que chez les non traités. Les ostéoblastes scoliotiques expriment un défaut d’expression de l’IGF 1 et d’IGF 1R en présence de la mélatonine. En conclusion, le VEGF A et l’IGF 1 peuvent également promouvoir la différenciation et la prolifération des ostéoblastes humains scoliotiques en culture primaire.

Application of a new method in the study of pelvic floor muscle passive properties in continent women

The aim of this study was to present a new methodology for evaluating the pelvic floor muscle (PFM) passive properties. The properties were assessed in 13 continent women using an intra-vaginal dynamometric speculum and EMG (to ensure the subjects were relaxed) in four different conditions: (1) forces recorded at minimal aperture (initial passive resistance); (2) passive resistance at maximal aperture; (3) forces and passive elastic stiffness (PES) evaluated during five lengthening and shortening cycles; and (4) percentage loss of resistance after 1 min of sustained stretch. The PFMs and surrounding tissues were stretched, at constant speed, by increasing the vaginal antero-posterior diameter; different apertures were considered. Hysteresis was also calculated. The procedure was deemed acceptable by all participants. The median passive forces recorded ranged from 0.54 N (interquartile range 1.52) for minimal aperture to 8.45 N (interquartile range 7.10) for maximal aperture while the corresponding median PES values were 0.17 N/mm (interquartile range 0.28) and 0.67 N/mm (interquartile range 0.60). Median hysteresis was 17.24 N∗mm (interquartile range 35.60) and the median percentage of force losses was 11.17% (interquartile range 13.33). This original approach to evaluating the PFM passive properties is very promising for providing better insight into the patho-physiology of stress urinary incontinence and pinpointing conservative treatment mechanisms.

Pelvic-Floor Rehabilitation, Part 1 : Comparison of Two Surface Electrode Placements During Stimulation of the Pelvic-Floor Musculature in Women Who Are Continent Using Bipolar Interferential Currents

Background and Purpose. Electrical stimulation of the pelvic floor is used as an adjunct in the conservative treatment of urinary incontinence. No consensus exists, however, regarding electrode placements for optimal stimulation of the pelvic-floor musculature. The purpose of this study was to compare two different bipolar electrode placements, one suggested by Laycock and Green (L2) the other by Dumoulin (D2), during electrical stimulation with interferential currents of the pelvic-floor musculature in continent women, using a two-group crossover design. Subjects. Ten continent female volunteers, ranging in age from 20 to 39 years (X̅=27.3, SD=5.6), were randomly assigned to one of two study groups. Methods. Each study group received neuromuscular electrical stimulation (NMES) of the pelvic-floor musculature using both electrode placements, the order of application being reversed for each group. Force of contraction was measured as pressure (in centimeters of water [cm H2O]) exerted on a vaginal pressure probe attached to a manometer. Data were analyzed using a two-way, mixed-model analysis of variance. Results. No difference in pressure was observed between the two electrode placements. Differences in current amplitude were observed, with the D2 electrode placement requiring less current amplitude to produce a maximum recorded pressure on the manometer. Subjective assessment by the subjects revealed a preference for the D2 electrode placement (7 of 10 subjects). Conclusion and Discussion. The lower current amplitudes required with the D2 placement to obtain recordings comparable to those obtained with the L2 technique suggest a more comfortable stimulation of the pelvic-floor muscles. The lower current amplitudes required also suggest that greater increases in pressure might be obtained with the D2 placement by increasing the current amplitude while remaining within the comfort threshold. These results will help to define treatment guidelines for a planned clinical study investigating the effects of NMES and exercise in the treatment of urinary stress incontinence in women postpartum.

Conservative management for female urinary incontinence and pelvic organ prolapse review 2013 : summary of the 5th International Consultation on Incontinence

Aims The objective of the 5th International Consultation on Incontinence (ICI) chapter on Adult Conservative Management was to review and summarize the new evidence on conservative management of urinary incontinence (UI) and pelvic organ prolapse (POP) in order to compile a current reference source for clinicians, health researchers, and service planners. In this paper, we present the review highlights and new evidence on female conservative management. Methods Revision and updates of the 4th ICI Report using systematic review covering years 2008–2012. Results Each section begins with a brief definition and description of the intervention followed by a summary, where possible, of both the state and level of evidence for prevention and treatment, and ends with a “grade of recommendation.” The paper concludes with areas identified as requiring further research. Conclusions For UI, there are no prevention trials on lifestyle interventions. There are, however, few new intervention trials of lifestyle interventions involving weight loss and fluid intake with improved levels of evidence and grade of recommendation. Outside of pre- and post-natal pelvic floor muscle training (PFMT) trials for the prevention of female UI, there is a dearth of PFMT prevention trials for women with UI. PFMT remains the first-line treatment for female UI with high levels of evidence and grades of recommendation. Bladder training levels of evidence and grades of recommendation are maintained. For POP, new evidence supports the effectiveness of physiotherapy in the treatment of POP and there are now improved levels of evidence and grades of recommendation.