La présence de douleur ressentie au niveau des hanches est une problématique musculosquelettique fréquemment rencontrée chez les individus de 45 ans et plus. Très souvent, ces douleurs sont associées à l'arthrose, spécifiquement la coxarthrose chez les femmes. La coxarthrose est une maladie dégénérative chronique de l'articulation de la hanche qui représente l'une des causes la plus fréquente de douleur et d'incapacité fonctionnelle chez les individus âgés. La prévalence de cette dégénérescence articulaire peut atteindre 8,3% chez l'homme et 11,1% chez la femme en Amérique du Nord. Toutefois, peu d'études ont été réalisées permettant de tracer un profil de mesures physiques et fonctionnelles chez les femmes vieillissantes atteintes d'arthrose à la hanche exclusivement. L'objectif de cette étude est donc de dresser un portrait global à partir de ces mesures chez les femmes âgées de 45 à 64 ans présentant des douleurs aux hanches. À partir d'une étude transversale diagnostique, 21 femmes âgées entre 45 et 64 ans ont réalisé différents tests physiques (lever de chaise, marche d'escalier) et fonctionnels (équilibre, TUG, 6MWD) ainsi qu'un questionnaire sur la douleur (Lequesne). Les femmes ont été classée en deux groupes expérimentaux pour des comparaisons descriptives et analytiques : 1) femmes avec un indice de douleur ≥ 10 selon l'indice algofonctionnel de Lequesne; et 2) femmes avec un indice de douleur ≤ 9 (groupe contrôle). Les deux groupes ont été comparés par des tests indépendants en fonction des analyses de corrélations entre les mesures employées. Les résultats de cette étude ont révélé que les femmes qui rapportaient présenter des douleurs aux hanches importantes avaient davantage de difficulté à exécuter les tâches fonctionnelles telles la montée d'escalier (p = 0.001), la vitesse de marche (p = 0,003) et, dans une moindre mesure, l'équilibre (p = 0,03 à 0,68). En conclusion, les douleurs aux hanches ont impliqué une certaine limitation physique et fonctionnelle chez les femmes évaluées.

De plus en plus d’études font l’éloge d’un nouveau composé injectable servant au traitement de l’arthrose, l’acide hyaluronique (viscosuppléance). Ces effets sur les symptômes de l’arthrose sont rapportés comme étant similaires à ceux des infiltrations intra-articulaire de corticostéroïdes, mais sa popularité grandissante est liée à sa nature biologique et à son mécanisme d’action qui pourrait durer jusqu’à 6 mois. Une injection de viscosuppléance à l’intérieur de la capsule articulaire pourrait-elle amener des résultats bénéfiques équivalents voire supérieurs à d’autres composés? L’objectif de cette étude est de vérifier par l’analyse de la douleur, des capacités physiques et de la biomécanique de la marche si, en comparant avec un placebo, l'infiltration intra-articulaire d’acide hyaluronique dans la hanche de patients atteints de coxarthrose, influence leur qualité de vie. À ce jour, très peu d’études ont effectués une telle comparaison et jusqu’ici, la viscosuppléance ne semble pas particulièrement se démarquer d’une solution aqueuse de remplacement. L’échantillon visé de l’étude est composée de 40 participants âgés de 40 à 70 ans. Cet échantillon a ensuite été assigné à un groupe traitement (viscosuppléance) ou à un groupe placebo. À ce jour, 7 participants ont entamé l’étude. Chaque patient a été évalué sur différents paramètres cliniques et biomécaniques relatifs à la marche et aux activités de tous les jours et ce, sur une période de suivi de 6 mois, divisée en quatre évaluations à des fins de suivi. Un moniteur d’activité physique a aussi été remis à chaque patient en début d’étude. Au fil des suivis, les participants ont montré de nombreux progrès, tant au niveau de la douleur ressentie et de l’état fonctionnel, qu’au niveau de la vitesse de marche et de la longueur de foulée. Toutefois, aucun indice laisse croire à un effet supérieur de l’acide hyaluronique, lorsque comparé à un placebo.

L’arthrose est la maladie articulaire la plus fréquente pouvant être responsable d’une perte d’autonomie et d’un handicap fonctionnel majeur. Du fait du vieillissement de la population et de la prévalence de l’obésité, le nombre de personnes ayant une arthrose des membres inférieurs va augmenter dans les années à venir et entrainer une explosion des dépenses de santé. La cohorte « Knee and Hip OsteoArthritis Long-term Assessment » (KHOALA) est une cohorte française multicentrique représentative de patients atteints d’arthrose symptomatique de hanche et/ou de genou.Les objectifs de ce projet étaient d’établir une revue de la littérature sur les conséquences économiques de l'arthrose de hanche et/ou du genou. Puis à partir de la cohorte KHOALA, nous avons décrit la consommation de soins ; identifié les facteurs associés aux trajectoires d'utilisation des ressources de santé et estimé les coûts annuels totaux. Enfin nous avons réalisé une analyse systématique de la littérature sur les analyses coût-efficacité des anti-arthrosiques d’action lente et de l’acide hyaluronique intra articulaire dans l’arthrose de genoux.La revue systématique a objectivé une hétérogénéité des couts totaux par patient (de 0,7 à 12 k€/an). Les données de KHOALA ont démontré que la majorité des patients consultait son médecin généraliste et une minorité de patients consultait un spécialiste. Le seul facteur clinique indépendant prédictif des consultations des professionnels de la santé était l'état de santé mentale. Le coût total annuel moyen par patient sur la période d'étude de 5 ans était de 2180 ± 5 305 €. En France, les coûts médians pourraient atteindre 2 milliards € / an (IQR 0,7–4,3). / Osteoarthritis is the most common joint disease that can be responsible for a loss of autonomy and a major functional disability. With the aging of the population and the prevalence of obesity, the number of people with lower limb osteoarthritis will increase in the coming years and lead to an explosion of health spending. The "Knee and Hip OsteoArthritis Long-term Assessment" cohort (KHOALA) is a representative French multicenter cohort of patients with symptomatic hip and / or knee osteoarthritis.The aims of this thesis were to provide an overview of the economic consequences of hip and knee osteoarthritis worldwide. Then from the KHOALA cohort, we described health care resources use in the KHOALA cohort, we identified factors associated with trajectories of healthcare use and we estimated the annual total costs. Finally, we conducted a systematic review of the literature on the cost effectiveness of intra-articular hyaluronic acid and disease-modifying osteoarthritis drugs used in the treatment of knee OA.The systematic review showed a heterogeneity of the total costs per patient (from 0.7 to 12 k € / year). KHOALA data showed that primary care physicians have a central role in osteoarthritis care, mental health state was the only independent predictive factor of healthcare professional consultations. The mean annual total cost per patient over 5 years was 2180 ± 5,305 €. In France, median annual total costs would be approximately 2 billion €/year (IQR 0.7-4.3).

La fracture ostéoporotique du col fémoral et la coxarthrose constituent aujourd'hui deux enjeux majeurs de santé publique chez les sujets âgés. L'ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. La coxarthrose d'autre part associe la perte progressive du cartilage d'encroûtement articulaire, une sclérose osseuse sous-chondrale, des géodes sous-chondrales, et des ostéophytes marginaux. Bien qu'une masse osseuse élevée semble prédisposer à l'arthrose, les relations métaboliques et biomécaniques entre ostéoporose et coxarthrose sont complexes. L'évaluation de l'architecture osseuse de l'extrémité proximale du fémur est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Notre travail de thèse s'est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure osseuse de l'extrémité proximale du fémur, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique de cette région anatomique fondamentale. / Fracture of the proximal femur and hip osteoarthritis are nowadays a major public health problem in elderly persons. The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with microarchitecture deterioration. On the other hand, osteoarthritis corresponds to progressive articular cartilage loss, subchondral bone sclerosis, subchondral bone cysts, and marginal osteophytes. Although a higher bone mass may increase the risk of osteoarthritis, osteoporosis and hip osteoarthritis present a complex metabolic and biomechanical relationship. The proximal femur architectural evaluation and characterization of age-related osseous alterations are currently one of the main challenges in bone and mineral research. Our work was based on a multidisciplinary project which aimed at evaluating the age-related structural deterioration of the proximal femur using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region.

Background Osteoarthritis (OA) of the hip is a common disease among elderly adults and its prevalence increases with age. Hip OA is presumed to be a group of diseases resulting in the same pathological pathway, but its etiology is not completely understood. The major symptoms are joint pain, joint stiffness, impaired range of motion, and muscle weakness resulting in increased levels of physical disability (PD) and reduced quality of life. Besides the impairments of the individual subject a heavy economic burden goes along with the disease and is expected to increase due to aging societies in western countries throughout the upcoming years. Exercise therapy (ET), including elements to strengthen the hip muscles, is a common treatment in hip OA and considered to reduce pain and PD. Currently, there is only silver-level scientific evidence regarding the effectiveness of ET in hip OA due to a limited number of high quality studies. Furthermore, the optimal content and dosage, as well as the mode of delivery of ET need to be evaluated. This doctoral thesis deals with three specific aspects of hip muscle strength (HMS) in patients with hip OA: the precision of measuring HMS, training HMS, and the relevance of HMS to physical disability (PD). Three studies and one study protocol provide the scientific program of this thesis, referring to these aspects of HMS. Methods The first study (S1) investigated the reproducibility of isokinetic and isometric HMS measures in patients with hip OA. 16 subjects with unilateral or bilateral hip OA and 13 healthy subjects were tested twice, 7 days apart. A subpopulation of 11 hip OA patients was tested a third time to evaluate familiarization to these measurements. The standard error of measurement (SEM) served as the reproducibility outcome parameter. The second study (S2) investigated the feasibility of strengthening exercises and their effect on HMS in hip patients. 36 participants from an institutional training group for hip patients were allocated randomly to an intervention or control group. While the intervention group completed an eight-week progressive home-based strengthening exercise program (PHSEP) in addition to the weekly institutional supervised group-based exercise therapy (ISET), the control group continued weekly ISET, only. Exercise logs were used to monitor adherence, pain, and the applied exercise intensity of the PHSEP. Before and after the intervention period, HMS was determined using isokinetic concentric and isometric HMS measurements. Additionally, health-related quality of life was assessed by the SF36 questionnaire. These two studies served as a basis for developing strength-specific aspects of a study design for a randomized controlled trial (RCT), which was in progress at the writing of this thesis. This RCT addresses the above-mentioned lack of scientific evidence about the effectiveness of ET in hip OA. A study protocol (P1) describes this RCT, which evaluates the effectiveness of ET on pain and PD in patients with hip OA. 217 patients with hip OA were recruited from the community and allocated to one of the four groups: (1) exercise group, n = 70 (2) non-intervention group, n = 70, (3) “Sham” ultrasound group, n = 70, and (4) ultrasound group, n = 7. The main outcome measure is the change in the subscale bodily pain of the SF36. Secondary outcomes are PD assessed by the SF36 and the WOMAC questionnaire, isometric HMS, several gait variables and postural control. Finally, the relationship of HMS and PD in hip OA was investigated in a third (cross-sectional) study (S3). A stepwise regression model was applied with data from 149 subjects suffering from hip OA. The outcome variable was the self-reported physical disability, assessed with the physical function subscale of the WOMAC questionnaire. Age, gender, body mass index BMI , HMS, pain, stiffness, and range of motion were included in the statistical model as associated factors of PD. Results The results of S1 showed high variability in HMS measurements between days. The highest SEM values, indicating poorest reproducibility, were obtained for hip extension, followed by hip adduction and hip flexion measures, while the smallest values were found for hip abduction measures. Lower reproducibility occurred in patients with hip OA in comparison to healthy controls during the isometric measures of hip abduction, adduction, and flexion. Reproducibility of 11 hip OA patients was lower for the second test sequence (test-day 2 and 3) than for the first test sequence (test-day 1 and 2). The findings of S2 indicated high exercise adherence (99%) of the intervention group to the applied PHSEP. Furthermore, exercise logs reported that pain resulting from the PHSEP was low. HMS improved about 7-11% in comparison to the control group. The SF36 variables did not change throughout the exercise period. In S3, the statistical model revealed stiffness, pain, and HMS to be significant factors of self-reported physical disability in hip OA. Conclusion In conclusion, the precision of several HMS measures may be affected by hip OA and clinicians should be aware of a higher measurement error in patients with hip OA under isometric test conditions than for healthy subjects. A familiarization measurement may be an approach to diminish the measurement error. The applied PHSEP amended to an ISET is feasible for hip patients to carry out and can be applied to improve HMS. Furthermore, a significant cross-sectional relationship between HMS and PD has been evaluated, indicating that HMS may be an important factor to stimulate during exercise therapy in hip OA. The upcoming results of the RCT (P1) described in the study protocol will help to reduce the shortcomings in scientific evidence regarding the effectiveness of strengthening exercise regimes to reduce pain and PD in patients with hip OA. / Hintergrund Coxarthrose ist eine weit verbreitete Krankheit in der älteren Bevölkerung westlicher Industrienationen. Die Bedeutung und Zahl der Neuerkrankungen nehmen mit steigendem Lebensalter zu. Schmerz, Steifheit, Bewegungseinschränkungen und Muskelschwäche zählen zu den Leitsymptomen dieser Krankheit, die sich in einer zunehmenden körperlichen Funktionseinschränkung und eingeschränkten Lebensqualität der Patienten äußern. Neben der Bedeutung für die betroffenen Patienten selbst wachsen in westlichen Industrienationen aufgrund der demographischen Entwicklung hin zu einer alternden Gesellschaft der Druck und die finanzielle Belastung auf die Renten- und Gesundheitssysteme. Die Sporttherapie wird häufig in frühen Stadien der Krankheit eingesetzt und zählt zu den konservativen Therapieverfahren. Nach aktuellem Stand der Wissenschaft scheinen sporttherapeutische Interventionen mit Trainingselementen zur Kräftigung der hüftumgebenden Muskulatur sinnvoll. Dennoch wurde die Wirksamkeit von Sporttherapie bei Coxarthrose bisher nur in einzelnen Studien nachgewiesen (Silver-level Evidence). Es fehlen qualitativ hochwertige randomisierte Kontrollgruppenstudien (RCTs). Zudem ist bislang ungeklärt, wie ein optimales Trainingsprogramm bei Coxarthrose hinsichtlich der Inhalte, Dosierung und Durchführungsmodalität zu gestalten ist, um Schmerz und körperliche Funktionseinschränkungen bestmöglich zu therapieren. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit drei Aspekten der Hüftmuskelkraft bei Patienten mit Coxarthrose. Drei entsprechende Studien, die in vier wissenschaftlichen Artikeln aufgearbeitet wurden, bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt der Arbeit. Methode Die erste Studie (S1) befasst sich mit der Messgenauigkeit von Hüftkraftmessungen bei Coxarthrosepatienten. Unter diesem Aspekt wurden isometrische und isokinetische Kraftmessgrößen an der Hüfte bei 16 Coxarthrosepatienten und 13 gesunden Personen zwei Mal im Abstand von sieben Tagen erhoben. Bei einer Teilstichprobe von 11 Coxarthrosepatienten wurden die Messungen ein drittes Mal durchgeführt, um mögliche Gewöhnungseffekte zu evaluieren. Der Standard Error of Measurement (SEM) wurde verwendet, um den Messfehler zu quantifizieren. Die zweite Studie (S2) greift einen weiteren Aspekt auf, der sich auf das Training der Hüftmuskelkraft bei Hüftpatienten bezieht. Hier wurde die Machbarkeit eines ergänzenden Heimtrainingsprogramms zur Kräftigung der hüftumgebenden Muskulatur evaluiert sowie mögliche Auswirkungen auf die Hüftmuskelkraft untersucht. 36 Teilnehmer einer Hüftsportgruppe mit Coxarthrose und/oder einer Total-Endoprothese (TEP) wurden randomisiert in zwei Untersuchungsgruppen aufgeteilt. Während die Patienten der Kontrollgruppe im Untersuchungszeitraum weiterhin wöchentliche institutionelle sporttherapeutische Trainingseinheiten wahrnahmen, führten die Patienten der Interventionsgruppe zusätzlich Heimtrainingseinheiten zur Kräftigung der Hüftmuskeln durch. Vor und nach der Intervention wurden isometrische und isokinetische Maximalkraftmessungen durchgeführt. Die Patienten der Trainingsgruppe haben ein Trainingstagebuch geführt, um die Teilnahme am Heimtrainingsprogramm und mögliche Schwierigkeiten damit zu dokumentieren. Der SF36 Fragebogen wurde eingesetzt, um die gesundheitsbezogene Lebensqualität im Verlauf zu kontrollieren. Die Erkenntnisse der beiden beschriebenen Studien wurden verwendet, um kraftspezifische Aspekte eines Studiendesigns zu entwickeln. Dieses Studiendesign entspricht einem RCT und soll die Effektivität eines sporttherapeutischen Trainingskonzepts hinsichtlich Schmerzreduktion und Verbesserung der körperlichen Funktionsfähigkeit überprüfen. 217 Hüftarthrosepatienten werden rekrutiert und randomisiert auf eine der folgenden Untersuchungsgruppen aufgeteilt: (1) Trainingsgruppe, n = 70 (2) Kontrollgruppe ohne Intervention, n = 70, (3) “Schein” Ultraschallgruppe, n = 70, und (4) Ultraschallgruppe, n = 7. Die primäre Zielgröße ist Veränderung in der Subskala „Körperliche Schmerzen“ des SF36-Fragebogens. Sekundäre Zielgrößen sind Schmerz und Körperliche Funktionsfähigkeit aus dem WOMAC-Fragebogen, weiteren Subskalen des SF36-Fragebogens, isometrische Hüftmuskelkraft, verschiedene Variablen des Gangs und posturale Kontrolle. Die Bedeutung der Hüftmuskelkraft auf die alltagsrelevante körperliche Funktionsfähigkeit stellt den dritten Aspekt dieser Dissertation dar und wurde in Studie 3 (S3), einer Querschnittsuntersuchung an 149 Coxarthrosepatienten behandelt. Ziel der Studie war die Untersuchung des Zusammenhangs verschiedener Variablen und der alltagsbezogenen körperlichen Funktionsfähigkeit. In einem statistisches Modell wurde die Beziehung zwischen den Variablen: Hüftmuskelkraft, Body Mass Index (BMI), Alter, Geschlecht, Schmerz, Steifheit und Beweglichkeit der Hüfte und der Subskala „Körperliche Funktionsfähigkeit“ des WOMAC-Fragebogens als Maß für die alltagsbezogene körperlichen Funktionsfähigkeit berechnet. Ergebnisse In der ersten Studie (S1) wurden die größten Messfehler in den Messgrößen Hüftextension ermittelt. Danach folgten die Messgrößen Hüftadduktion und -flexion. Der geringste Messfehler wurde für Hüftabduktion ermittelt. Unter isometrischen Bedingungen wurden in den Kraftmessgrößen Hüftabduktion, -adduktion und -flexion bei Coxarthrosepatienten größere Messfehler quantifiziert als bei gesunden Personen. Zudem war die Reproduzierbarkeit in der ersten Test-Sequenz (Messtag 1 und 2) im Vergleich zur zweiten Test-Sequenz reduziert (Messtag 2 und 3). In der zweiten Studie (S2) konnte gezeigt werden, dass das verwendete Heimtrainingsprogramm sicher und selbstständig von den Hüftpatienten durchgeführt werden konnte. Die Trainingstagebücher ließen auf eine nahezu hundertprozentige Teilnahme am ergänzenden Heimtrainingsprogramm schließen und zeigten außerdem, dass das Heimtrainingsprogramm keine schmerzverursachende Wirkung hatte. Nach der Intervention war die Kraft der hüftumgebenden Muskulatur im Vergleich zur Kontrollgruppe um 7-9% gesteigert. Befunde hinsichtlich einer veränderten Lebensqualität konnten nicht registriert werden. Das statistische Modell, das in der dritten Studie (S3) eingesetzt wurde, erkannte Schmerz, Steifheit und Hüftmuskelkraft als die drei bedeutsamsten Faktoren für die alltagsbezogene körperliche Funktionsfähigkeit bei Patienten mit Coxarthrose. Schlussfolgerungen Kraftmessungen an der Hüfte scheinen erheblichen Tagesschwankungen ausgesetzt zu sein. Bei Coxarthrosepatienten und gesunden Personen scheint sich die Wiederholbarkeit von isokinetischen Kraftmessungen zu ähneln. Unter isometrischen Testbedingungen muss mit höheren Messfehlern bei Coxarthrosepatienten gerechnet und entsprechend bei der Interpretation von Ergebnissen berücksichtigt werden. Eine Gewöhnungsmessung kann den Messfehler reduzieren, birgt allerdings einen erheblich höheren finanziellen und personellen Aufwand. Das ergänzende Heimtrainingsprogramm wurde von den Patienten gut angenommen, so dass lediglich kleinere Modifikationen vorgenommen werden mussten, um es in dem geplanten RCT zu evaluieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Hüftmuskelkraft zu den drei bedeutsamsten Faktoren zählt, die Einfluss auf die alltagsbezogene körperliche Funktionsfähigkeit bei Patienten mit Coxarthrose haben können. Ob diese Beziehung tatsächlich kausaler Natur ist, werden zukünftige Verlaufsstudien aufzeigen, in denen gezielt solche Faktoren der alltagsrelevanten körperliche Funktionsfähigkeit durch sporttherapeutische Maßnahmen modifiziert werden. Die ausstehenden Ergebnisse des RCT sollen die noch unzureichende wissenschaftliche Beweislage bezüglich der Wirksamkeit sporttherapeutischer Interventionen bei Coxarthrose verbessern. Dabei soll gezeigt werden, ob und in welchem Maß eine Schmerzreduktion und Verringerung der körperlichen Funktionseinschränkung erzielt werden kann.

La dégénérescence articulaire sévère de la hanche est une pathologie fréquente et son traitement ultime est le remplacement prothétique. L’arthroplastie la plus répandue au monde est la prothèse totale de hanche (PTH) avec un couple de frottement métal-sur-polyéthylène (MPE). Cependant ce type d’intervention présente une longévité limitée à cause de l’usure de PE et ne convient pas aux patients actifs souffrant de coxarthrose sévère tôt dans leur vie. Afin de palier à ce problème, une nouvelle génération de surfaces de frottement métal-sur-métal (MM) est actuellement employée. Ces surfaces de frottement sont utilisées en PTH avec tête de 28 mm, en resurfaçage (RH) et avec la PTH à tête de grand diamètre. Alors qu’il y a beaucoup d’évidence à l’égard du bon fonctionnement des implants PTH 28 mm et du RH, les données quant aux performances in vivo des PTH MM à grand diamètre manquent. Malgré cela, ces implants sont utilisés à grande échelle. Dans un premier temps, l’objectif de ce travail de recherche était d’évaluer l’effet et de comparer les taux d’ions chrome (Cr) et cobalt (Co) chez des sujets porteurs de PTH MM à grand diamètre à ceux de 64 porteurs de RH, tous deux possédant des surfaces de frottement aux propriétés tribologiques identiques. Dans un deuxième temps, nous avons comparé les taux ioniques (Cr, Co et titane (Ti)) entre quatre PTH MM à grand diamètre provenant de fabricants différents (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew et Biomet). Les mesures d’ions étaient effectuées dans le sang entier dans un laboratoire indépendant par la technique de spectrophotométrie de masse à haute résolution HR-ICP-MS, pour l’ensemble de ce travail de recherche. Les deux comparaisons ont démontré le rôle crucial joué par la modularité au niveau de la jonction tête-col des PTH MM à grand diamètre. En effet, des écarts considérables dans les concentrations ioniques de Co ont été retrouvés entre les RH et PTH Durom ayant un couple de frottement identique, ainsi qu’entre les 4 différents designs de PTH MM à grand diamètre comparés entre eux. La PTH MM à grand diamètre Durom était la moins favorable alors que celle de Biomet était la plus performante. Nos observations démontrent que des sources inattendues comme la jonction tête-col de certains implants PTH MM à grand diamètre peuvent contribuer au relargage ionique systémique. Une meilleure compréhension de ce phénomène est indispensable avant l’utilisation clinque de nouveaux implants de ce type. / The treatment for advanced degenerative hip disease consists in replacing the native joint with artificial implants. This is a very common procedure and the type of arthroplasty most practiced worldwide is metal-on-polyethylene (MOPE) total hip replacement (THR). However, this type of bearing has limited lifespan and is not adapted for active patients struggling with hip osteoarthritis early in their lives. In order to increase implant longevity, new generation, metal-on–metal (MOM) bearing surfaces is used nowadays in this particular population. These MOM bearings are used in 28 mm THR, in resurfacing hip arthroplasty (RH) and in large diameter head THR. Although consistent results have been obtained with the 28 mm THR and RH, large diameter head THR are increasingly used despite lack of scientific data about their performances. The main purpose of our first paper was to compare chromium (Cr) and cobalt (Co) concentrations among patients implanted with large diameter head THR and with RH. In this case, both bearing surfaces presented identical tribological properties. In the second paper, we compared performances in terms of ion release (Cr, Co and titanium (Ti)) from four different manufacturers of large diameter head THR systems (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew and Biomet). Whole blood was used for all samples and ion measurements were conducted by an independent laboratory in a blinded fashion, using high-resolution inductive coupled plasma mass spectrophotometry (HR-ICP-MS). Both papers have emphasized the crucial role played by modularity at the head-neck junction in metal ion release from large diameter THR MOM bearings. In fact, significant differences were found in Co ion concentration between large head THR and HRA as well as among the different designs of large head THRs. Briefly, the Durom large head THR system was the least favorable implant while the Biomet large head THR system showed the best results. Our results prove that systemic ion release might origin from surprising sources such as modularity at the head-neck junction in patients implanted with certain large head MOM THR systems. A better comprehension of head-neck junction biomechanics is necessary before clinical use of such new devices.

Background Osteoarthritis (OA) of the hip is a common disease among elderly adults and its prevalence increases with age. Hip OA is presumed to be a group of diseases resulting in the same pathological pathway, but its etiology is not completely understood. The major symptoms are joint pain, joint stiffness, impaired range of motion, and muscle weakness resulting in increased levels of physical disability (PD) and reduced quality of life. Besides the impairments of the individual subject a heavy economic burden goes along with the disease and is expected to increase due to aging societies in western countries throughout the upcoming years. Exercise therapy (ET), including elements to strengthen the hip muscles, is a common treatment in hip OA and considered to reduce pain and PD. Currently, there is only silver-level scientific evidence regarding the effectiveness of ET in hip OA due to a limited number of high quality studies. Furthermore, the optimal content and dosage, as well as the mode of delivery of ET need to be evaluated. This doctoral thesis deals with three specific aspects of hip muscle strength (HMS) in patients with hip OA: the precision of measuring HMS, training HMS, and the relevance of HMS to physical disability (PD). Three studies and one study protocol provide the scientific program of this thesis, referring to these aspects of HMS. Methods The first study (S1) investigated the reproducibility of isokinetic and isometric HMS measures in patients with hip OA. 16 subjects with unilateral or bilateral hip OA and 13 healthy subjects were tested twice, 7 days apart. A subpopulation of 11 hip OA patients was tested a third time to evaluate familiarization to these measurements. The standard error of measurement (SEM) served as the reproducibility outcome parameter. The second study (S2) investigated the feasibility of strengthening exercises and their effect on HMS in hip patients. 36 participants from an institutional training group for hip patients were allocated randomly to an intervention or control group. While the intervention group completed an eight-week progressive home-based strengthening exercise program (PHSEP) in addition to the weekly institutional supervised group-based exercise therapy (ISET), the control group continued weekly ISET, only. Exercise logs were used to monitor adherence, pain, and the applied exercise intensity of the PHSEP. Before and after the intervention period, HMS was determined using isokinetic concentric and isometric HMS measurements. Additionally, health-related quality of life was assessed by the SF36 questionnaire. These two studies served as a basis for developing strength-specific aspects of a study design for a randomized controlled trial (RCT), which was in progress at the writing of this thesis. This RCT addresses the above-mentioned lack of scientific evidence about the effectiveness of ET in hip OA. A study protocol (P1) describes this RCT, which evaluates the effectiveness of ET on pain and PD in patients with hip OA. 217 patients with hip OA were recruited from the community and allocated to one of the four groups: (1) exercise group, n = 70 (2) non-intervention group, n = 70, (3) “Sham” ultrasound group, n = 70, and (4) ultrasound group, n = 7. The main outcome measure is the change in the subscale bodily pain of the SF36. Secondary outcomes are PD assessed by the SF36 and the WOMAC questionnaire, isometric HMS, several gait variables and postural control. Finally, the relationship of HMS and PD in hip OA was investigated in a third (cross-sectional) study (S3). A stepwise regression model was applied with data from 149 subjects suffering from hip OA. The outcome variable was the self-reported physical disability, assessed with the physical function subscale of the WOMAC questionnaire. Age, gender, body mass index BMI , HMS, pain, stiffness, and range of motion were included in the statistical model as associated factors of PD. Results The results of S1 showed high variability in HMS measurements between days. The highest SEM values, indicating poorest reproducibility, were obtained for hip extension, followed by hip adduction and hip flexion measures, while the smallest values were found for hip abduction measures. Lower reproducibility occurred in patients with hip OA in comparison to healthy controls during the isometric measures of hip abduction, adduction, and flexion. Reproducibility of 11 hip OA patients was lower for the second test sequence (test-day 2 and 3) than for the first test sequence (test-day 1 and 2). The findings of S2 indicated high exercise adherence (99%) of the intervention group to the applied PHSEP. Furthermore, exercise logs reported that pain resulting from the PHSEP was low. HMS improved about 7-11% in comparison to the control group. The SF36 variables did not change throughout the exercise period. In S3, the statistical model revealed stiffness, pain, and HMS to be significant factors of self-reported physical disability in hip OA. Conclusion In conclusion, the precision of several HMS measures may be affected by hip OA and clinicians should be aware of a higher measurement error in patients with hip OA under isometric test conditions than for healthy subjects. A familiarization measurement may be an approach to diminish the measurement error. The applied PHSEP amended to an ISET is feasible for hip patients to carry out and can be applied to improve HMS. Furthermore, a significant cross-sectional relationship between HMS and PD has been evaluated, indicating that HMS may be an important factor to stimulate during exercise therapy in hip OA. The upcoming results of the RCT (P1) described in the study protocol will help to reduce the shortcomings in scientific evidence regarding the effectiveness of strengthening exercise regimes to reduce pain and PD in patients with hip OA.:List of content 1 List of figures 3 List of tables 4 List of abbreviations 5 Abstract 8 Zusammenfassung 11 Structure of the thesis 15 1 Background 16 1.1 Osteoarthritis of the hip joint 16 1.1.1 Prevalence and incidence 16 1.1.2 Etiology 17 1.1.3 Clinical symptoms and diagnosis 18 1.1.4 Socioeconomic burden 20 1.2 Hip muscle strength in osteoarthritis of the hip 23 1.2.1 Anatomical and functional aspects of the hip and its muscles 23 1.2.2 General aspects of muscle strength 25 1.2.3 Hip muscle weakness and muscle imbalances 28 1.2.4 Assessment of hip muscle strength 29 1.3 Physical disability in hip OA 35 1.3.1 General aspects of physical disability in hip OA 35 1.3.2 Assessment of physical disability in hip OA 36 1.4 Exercise therapy in hip OA 38 1.4.1 Efficacy of exercise therapy 38 1.4.2 Strengthening exercises in hip OA 39 1.5 Context of the thesis 43 1.5.1 OsteoArthritisGroup (OAG) 43 2 Scientific program - research papers 47 2.1 Research paper 1: Reproducibility of hip muscle strength measurements in hip OA 48 2.2 Research paper 2: Feasibility and efficacy of an 8-week progressive home-based strengthening exercise 58 2.3 Research paper 3: Evaluation of the therapeutic exercise regimen “Hip School": A protocol for a randomized, controlled trial 68 2.4 Research paper 4: Factors of physical disability in patients with hip osteoarthritis 81 3 Comprehensive and supplementary discussion 103 3.1 Strength measurements at the hip 103 3.1.1 Body position and fixation 103 3.1.2 Torque overshoots 104 3.1.3 Objectivity of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 104 3.1.4 Reproducibility of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 104 3.1.5 Validity of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 105 3.1.6 Isometric versus isokinetic hip muscle strength measures 106 3.2 Strengthening exercises in patients with hip OA 106 3.2.1 Feasibility and adherence to the progressive home-based strengthening exercise program 106 3.2.2 Adverse events due to the exercise intervention 107 3.2.3 Strength gains 108 3.2.4 Adaptations of the PHSEP for the RCT 109 3.3 Hip muscle strength and its relation to physical disability in patients with hip OA 110 4 Limitations 112 5 Conclusion and future perspectives 114 6 Reference list 116 7 Appendix 126 8 Affidavit 131 9 Curriculum vitae 132 / Hintergrund Coxarthrose ist eine weit verbreitete Krankheit in der älteren Bevölkerung westlicher Industrienationen. Die Bedeutung und Zahl der Neuerkrankungen nehmen mit steigendem Lebensalter zu. Schmerz, Steifheit, Bewegungseinschränkungen und Muskelschwäche zählen zu den Leitsymptomen dieser Krankheit, die sich in einer zunehmenden körperlichen Funktionseinschränkung und eingeschränkten Lebensqualität der Patienten äußern. Neben der Bedeutung für die betroffenen Patienten selbst wachsen in westlichen Industrienationen aufgrund der demographischen Entwicklung hin zu einer alternden Gesellschaft der Druck und die finanzielle Belastung auf die Renten- und Gesundheitssysteme. Die Sporttherapie wird häufig in frühen Stadien der Krankheit eingesetzt und zählt zu den konservativen Therapieverfahren. Nach aktuellem Stand der Wissenschaft scheinen sporttherapeutische Interventionen mit Trainingselementen zur Kräftigung der hüftumgebenden Muskulatur sinnvoll. Dennoch wurde die Wirksamkeit von Sporttherapie bei Coxarthrose bisher nur in einzelnen Studien nachgewiesen (Silver-level Evidence). Es fehlen qualitativ hochwertige randomisierte Kontrollgruppenstudien (RCTs). Zudem ist bislang ungeklärt, wie ein optimales Trainingsprogramm bei Coxarthrose hinsichtlich der Inhalte, Dosierung und Durchführungsmodalität zu gestalten ist, um Schmerz und körperliche Funktionseinschränkungen bestmöglich zu therapieren. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit drei Aspekten der Hüftmuskelkraft bei Patienten mit Coxarthrose. Drei entsprechende Studien, die in vier wissenschaftlichen Artikeln aufgearbeitet wurden, bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt der Arbeit. Methode Die erste Studie (S1) befasst sich mit der Messgenauigkeit von Hüftkraftmessungen bei Coxarthrosepatienten. Unter diesem Aspekt wurden isometrische und isokinetische Kraftmessgrößen an der Hüfte bei 16 Coxarthrosepatienten und 13 gesunden Personen zwei Mal im Abstand von sieben Tagen erhoben. Bei einer Teilstichprobe von 11 Coxarthrosepatienten wurden die Messungen ein drittes Mal durchgeführt, um mögliche Gewöhnungseffekte zu evaluieren. Der Standard Error of Measurement (SEM) wurde verwendet, um den Messfehler zu quantifizieren. Die zweite Studie (S2) greift einen weiteren Aspekt auf, der sich auf das Training der Hüftmuskelkraft bei Hüftpatienten bezieht. Hier wurde die Machbarkeit eines ergänzenden Heimtrainingsprogramms zur Kräftigung der hüftumgebenden Muskulatur evaluiert sowie mögliche Auswirkungen auf die Hüftmuskelkraft untersucht. 36 Teilnehmer einer Hüftsportgruppe mit Coxarthrose und/oder einer Total-Endoprothese (TEP) wurden randomisiert in zwei Untersuchungsgruppen aufgeteilt. Während die Patienten der Kontrollgruppe im Untersuchungszeitraum weiterhin wöchentliche institutionelle sporttherapeutische Trainingseinheiten wahrnahmen, führten die Patienten der Interventionsgruppe zusätzlich Heimtrainingseinheiten zur Kräftigung der Hüftmuskeln durch. Vor und nach der Intervention wurden isometrische und isokinetische Maximalkraftmessungen durchgeführt. Die Patienten der Trainingsgruppe haben ein Trainingstagebuch geführt, um die Teilnahme am Heimtrainingsprogramm und mögliche Schwierigkeiten damit zu dokumentieren. Der SF36 Fragebogen wurde eingesetzt, um die gesundheitsbezogene Lebensqualität im Verlauf zu kontrollieren. Die Erkenntnisse der beiden beschriebenen Studien wurden verwendet, um kraftspezifische Aspekte eines Studiendesigns zu entwickeln. Dieses Studiendesign entspricht einem RCT und soll die Effektivität eines sporttherapeutischen Trainingskonzepts hinsichtlich Schmerzreduktion und Verbesserung der körperlichen Funktionsfähigkeit überprüfen. 217 Hüftarthrosepatienten werden rekrutiert und randomisiert auf eine der folgenden Untersuchungsgruppen aufgeteilt: (1) Trainingsgruppe, n = 70 (2) Kontrollgruppe ohne Intervention, n = 70, (3) “Schein” Ultraschallgruppe, n = 70, und (4) Ultraschallgruppe, n = 7. Die primäre Zielgröße ist Veränderung in der Subskala „Körperliche Schmerzen“ des SF36-Fragebogens. Sekundäre Zielgrößen sind Schmerz und Körperliche Funktionsfähigkeit aus dem WOMAC-Fragebogen, weiteren Subskalen des SF36-Fragebogens, isometrische Hüftmuskelkraft, verschiedene Variablen des Gangs und posturale Kontrolle. Die Bedeutung der Hüftmuskelkraft auf die alltagsrelevante körperliche Funktionsfähigkeit stellt den dritten Aspekt dieser Dissertation dar und wurde in Studie 3 (S3), einer Querschnittsuntersuchung an 149 Coxarthrosepatienten behandelt. Ziel der Studie war die Untersuchung des Zusammenhangs verschiedener Variablen und der alltagsbezogenen körperlichen Funktionsfähigkeit. In einem statistisches Modell wurde die Beziehung zwischen den Variablen: Hüftmuskelkraft, Body Mass Index (BMI), Alter, Geschlecht, Schmerz, Steifheit und Beweglichkeit der Hüfte und der Subskala „Körperliche Funktionsfähigkeit“ des WOMAC-Fragebogens als Maß für die alltagsbezogene körperlichen Funktionsfähigkeit berechnet. Ergebnisse In der ersten Studie (S1) wurden die größten Messfehler in den Messgrößen Hüftextension ermittelt. Danach folgten die Messgrößen Hüftadduktion und -flexion. Der geringste Messfehler wurde für Hüftabduktion ermittelt. Unter isometrischen Bedingungen wurden in den Kraftmessgrößen Hüftabduktion, -adduktion und -flexion bei Coxarthrosepatienten größere Messfehler quantifiziert als bei gesunden Personen. Zudem war die Reproduzierbarkeit in der ersten Test-Sequenz (Messtag 1 und 2) im Vergleich zur zweiten Test-Sequenz reduziert (Messtag 2 und 3). In der zweiten Studie (S2) konnte gezeigt werden, dass das verwendete Heimtrainingsprogramm sicher und selbstständig von den Hüftpatienten durchgeführt werden konnte. Die Trainingstagebücher ließen auf eine nahezu hundertprozentige Teilnahme am ergänzenden Heimtrainingsprogramm schließen und zeigten außerdem, dass das Heimtrainingsprogramm keine schmerzverursachende Wirkung hatte. Nach der Intervention war die Kraft der hüftumgebenden Muskulatur im Vergleich zur Kontrollgruppe um 7-9% gesteigert. Befunde hinsichtlich einer veränderten Lebensqualität konnten nicht registriert werden. Das statistische Modell, das in der dritten Studie (S3) eingesetzt wurde, erkannte Schmerz, Steifheit und Hüftmuskelkraft als die drei bedeutsamsten Faktoren für die alltagsbezogene körperliche Funktionsfähigkeit bei Patienten mit Coxarthrose. Schlussfolgerungen Kraftmessungen an der Hüfte scheinen erheblichen Tagesschwankungen ausgesetzt zu sein. Bei Coxarthrosepatienten und gesunden Personen scheint sich die Wiederholbarkeit von isokinetischen Kraftmessungen zu ähneln. Unter isometrischen Testbedingungen muss mit höheren Messfehlern bei Coxarthrosepatienten gerechnet und entsprechend bei der Interpretation von Ergebnissen berücksichtigt werden. Eine Gewöhnungsmessung kann den Messfehler reduzieren, birgt allerdings einen erheblich höheren finanziellen und personellen Aufwand. Das ergänzende Heimtrainingsprogramm wurde von den Patienten gut angenommen, so dass lediglich kleinere Modifikationen vorgenommen werden mussten, um es in dem geplanten RCT zu evaluieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Hüftmuskelkraft zu den drei bedeutsamsten Faktoren zählt, die Einfluss auf die alltagsbezogene körperliche Funktionsfähigkeit bei Patienten mit Coxarthrose haben können. Ob diese Beziehung tatsächlich kausaler Natur ist, werden zukünftige Verlaufsstudien aufzeigen, in denen gezielt solche Faktoren der alltagsrelevanten körperliche Funktionsfähigkeit durch sporttherapeutische Maßnahmen modifiziert werden. Die ausstehenden Ergebnisse des RCT sollen die noch unzureichende wissenschaftliche Beweislage bezüglich der Wirksamkeit sporttherapeutischer Interventionen bei Coxarthrose verbessern. Dabei soll gezeigt werden, ob und in welchem Maß eine Schmerzreduktion und Verringerung der körperlichen Funktionseinschränkung erzielt werden kann.:List of content 1 List of figures 3 List of tables 4 List of abbreviations 5 Abstract 8 Zusammenfassung 11 Structure of the thesis 15 1 Background 16 1.1 Osteoarthritis of the hip joint 16 1.1.1 Prevalence and incidence 16 1.1.2 Etiology 17 1.1.3 Clinical symptoms and diagnosis 18 1.1.4 Socioeconomic burden 20 1.2 Hip muscle strength in osteoarthritis of the hip 23 1.2.1 Anatomical and functional aspects of the hip and its muscles 23 1.2.2 General aspects of muscle strength 25 1.2.3 Hip muscle weakness and muscle imbalances 28 1.2.4 Assessment of hip muscle strength 29 1.3 Physical disability in hip OA 35 1.3.1 General aspects of physical disability in hip OA 35 1.3.2 Assessment of physical disability in hip OA 36 1.4 Exercise therapy in hip OA 38 1.4.1 Efficacy of exercise therapy 38 1.4.2 Strengthening exercises in hip OA 39 1.5 Context of the thesis 43 1.5.1 OsteoArthritisGroup (OAG) 43 2 Scientific program - research papers 47 2.1 Research paper 1: Reproducibility of hip muscle strength measurements in hip OA 48 2.2 Research paper 2: Feasibility and efficacy of an 8-week progressive home-based strengthening exercise 58 2.3 Research paper 3: Evaluation of the therapeutic exercise regimen “Hip School": A protocol for a randomized, controlled trial 68 2.4 Research paper 4: Factors of physical disability in patients with hip osteoarthritis 81 3 Comprehensive and supplementary discussion 103 3.1 Strength measurements at the hip 103 3.1.1 Body position and fixation 103 3.1.2 Torque overshoots 104 3.1.3 Objectivity of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 104 3.1.4 Reproducibility of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 104 3.1.5 Validity of hip muscle strength measures in osteoarthritis of the hip 105 3.1.6 Isometric versus isokinetic hip muscle strength measures 106 3.2 Strengthening exercises in patients with hip OA 106 3.2.1 Feasibility and adherence to the progressive home-based strengthening exercise program 106 3.2.2 Adverse events due to the exercise intervention 107 3.2.3 Strength gains 108 3.2.4 Adaptations of the PHSEP for the RCT 109 3.3 Hip muscle strength and its relation to physical disability in patients with hip OA 110 4 Limitations 112 5 Conclusion and future perspectives 114 6 Reference list 116 7 Appendix 126 8 Affidavit 131 9 Curriculum vitae 132