Ce travail rapporte le développement et la validation d'un système de mesure pour l'étude cinématique des rotations du genou en 3 dimensions. Pour cela, nous avons dans un premier temps étudié in‐vitro les avantages apportés par un système de mesure de référence par rapport à l'évaluation du clinicien. Dans un second temps, nous avons développé un outil de mesure optoélectronique utilisable dans un contexte clinique. Nous avons réalisé une étude de reproductibilité de ce système pour des mesures de rotation interne‐externe en charge sur une série de sujets sains. Enfin, nous avons utilisé le système en condition réelle lors d'une étude clinique de revue à 2 ans de recul. 16 sujets opérés d'une rupture partielle du LCA ont été revus lors d'une consultation. Des mesures de rotation interne‐externe du genou en charge ainsi que des mesures de proprioception ont été réalisées.

La cinématique de l'articulation du genou est complexe. Elle est déterminée par des paramètres géométriques et des paramètres mécaniques. Les paramètres géométriques sont principalement définis par la géométrie des os, des surfaces articulaires et par les insertions des différents tissus mous. Les paramètres mécaniques sont définis par les caractéristiques des tissus mous exprimés par les lois qui relient les distances entre leurs insertions et les efforts qu'ils génèrent. Les muscles, tendons et ligaments sont caractérisés par leur constante de raideur et leur pré-tension à une position donnée de l'articulation du genou : l'extension totale. Cette thèse analyse à l'aide d'un modèle multi-corps rigides le comportement de l'articulation du genou. La première partie de la thèse décrit la constitution du modèle. La seconde partie positionne le modèle dans des conditions aux limites. La troisième partie présente les résultats du modèle et les compare à différentes publications de la bibliographie. La quatrième et dernière partie fait varier les différents paramètres mécaniques et quantifie leur influence sur la cinématique du genou. Une synthèse des résultats permet de mettre en évidence les paramètres les plus influents sur la rotation interne/externe du tibia par rapport au fémur et sur l'avancée/recul du fémur par rapport au tibia pendant le mouvement de flexion du genou.

Dans les pathologies ostéo-articulaires, les critères d'évaluation rapportés par les patients (Patient-Reported Outcomes ou PROs) sont désormais les critères de jugement incontournables, réclamés par les autorités sanitaires et les organismes de régulation. La validation de leurs propriétés psychométriques et leur adaptation transculturelle sont donc indispensables pour pouvoir les utiliser dans les essais thérapeutiques internationaux. Ce processus complexe de validation transculturelle permet d'élaborer une version du PRO dans le langage cible qui prenne en considération tous les spécificités socioculturelles et les équivalences linguistiques.Ce travail de thèse a comme problématique la validation transculturelle des PROs spécifiquement développés pour les pathologies du genou et de la hanche. Après avoir explicité les recommandations publiées dans ce domaine puis avoir réalisé une revue de la littérature de la qualité méthodologique des auto-questionnaires disponibles pour ces pathologies articulaires, nous avons entrepris les validations transculturelles du questionnaire KOOS (ou Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score), du questionnaire HOOS (ou Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score) et de leurs formes réduites (KOOS-PS et HOOS-PS pour Physical function Short form). Ces auto-questionnaires, développés en langue anglaise au cours de la dernière décennie, permettent d'évaluer de manière globale (symptômes, retentissement fonctionnel dans les activités quotidiennes et sportives, qualité de vie) des pathologies du genou ou de la hanche, aussi bien traumatiques que dégénératives. Après traduction et adaptation française selon les recommandations internationales, les versions françaises du KOOS, du HOOS, du KOOS-PS et du HOOS-PS ont ensuite été validées de manière prospective dans des cohortes françaises bi-centriques de patients arthrosiques suivis en milieu rhumatologique et orthopédique. Les résultats de ces travaux, publiés sous la forme de trois articles originaux, démontrent que les propriétés psychométriques des versions françaises de ces questionnaires sont satisfaisantes quelle que soit la sévérité de l'arthrose, en terme de faisabilité, de cohérence interne, de reproductibilité, de validité et de sensibilité au changement (après mise en place de prothèse totale ou viscosupplémentation par acide hyaluronique). Ces PROs capturent des concepts supplémentaires pertinents, comme le retentissement sur les activités sportives ou la qualité de vie, et permettent avec le même outil de mesure le suivi longitudinal de patients, depuis l'atteinte traumatique jusqu'à l'arthrose. Ils améliorent ainsi l'évaluation globale des pathologies du genou et de la hanche. La validation exhaustive, y compris transculturelle, permet à ce jour de considérer les questionnaires KOOS et le HOOS comme des PROS de référence. A ce titre, leur utilisation dans les essais thérapeutiques internationaux doit être encouragée.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

L’Organisation Mondiale de la Santé recommande le développement d’outils innovants d’imagerie pour le diagnostic précoce et le monitoring de l’arthrose dans le cadre d’une prévention secondaire(10). L’objectif de ce travail de thèse était d’établir l’intérêt de l’imagerie par OCT grand champ pour réaliser une évaluation du tissus cartilagineux peropératoire.La première partie de notre travail a consisté à définir à partir des données les plus récentes de la littérature les paramètres qualitatifs et quantitatifs les plus pertinents pour évaluer les lésions cartilagineuses arthrosiques. Ce travail de synthèse nous a semblé être le prérequis indispensable pour pouvoir développer des stratégies d’évaluation automatisé du cartilage en peropératoire. En effet, il n’existe pas en l’état une technique d’imagerie combinant toutes les qualités nécessaires pour caractériser le tissu cartilagineux. Les données actuelles montrent que parmi les paramètres quantitatifs, l’évaluation de l’état de surface, à une échelle micrométrique apparaît comme l’un des paramètres les mieux corrélés aux grades histologiques d’arthrose qui demeurent le gold-standard. Cette revue de la littérature a également mis en avant que les paramètres structurels, aussi bien biomécaniques que biochimiques, souffrent en l’état de ne pas avoir fait l’objet d’une corrélation avec les stades arthrosiques histologiques, limitant ainsi leur intérêt à des travaux de recherche fondamentale. Enfin, nous avons constaté que les systèmes d’imagerie les plus intéressants (IRM, SEM, etc…) pour caractériser le cartilage, et de fait les plus étudiés n’étaient accessibles qu’à un usage peropératoire et que très rarement à un usage in vivo.Dans la deuxième partie de notre travail de thèse, nous avons évalué la place de l’imagerie par tomographie par cohérence optique grand champ (Full Field Optical Coherence Tomography : FFOCT) pour la caractérisation du tissu cartilagineux. Nous avons exposé les principes de l’OCT grand champ ainsi que les avantages et les inconvénients que présente cette technique d’imagerie en comparaison à celles listées dans notre revue de la littérature. Puis nous avons présenté les résultats des évaluations descriptives, qualitatives et quantitatives des lésions cartilagineuses arthrosiques par OCT grands champ. Ces travaux expérimentaux sont, à notre connaissance, les premiers à avoir permis de développer un algorithme semi-automatique pour évaluer la dégénérescence cartilagineuse à partir d’images FFOCT. Six paramètres de surface ont pu être ainsi identifiés comme fortement corrélés au stade arthrosique histologique OARSI.Dans la troisième partie de cette thèse, nous essayons de répondre à la question de l’applicabilité clinique de ces travaux, en présentant les perspectives et les travaux de recherche que nous conduisons. En effet, même si les paramètres de surfaces sont fortement corrélés aux grades arthrosiques histologiques, il semble indispensable de développer et de valider de nouveaux paramètres quantitatifs, accessible à terme en peropératoire, qui pourront être combinés à ces premiers. Nous développons actuellement une thématique de recherche avec l ‘étude de deux paramètres structurels :la densité cellulaire des couches superficielles du cartilage et l’analyse de la rugosité de surface du cartilage. En parallèle de ces travaux, le développement d’un système d’imagerie accessible au bloc opératoire et à la chirurgie endoscopique mini-invasive est poursuivi. La sonde endoscopique FFOCT-NOCT développée en collaboration avec la société LLTech pourrait être le futur système d’imagerie peropératoire permettant d’obtenir les paramètres de caractérisation des lésions cartilagineuses que nous avons validés lors des expérimentations ex-vivo. / The World Health Organization recommends as part of secondary prevention, the development of innovative imaging tools allowing early diagnosis and assessement of osteoarthritis (10). The objective of this thesis was to study full-field OCT imaging and determine its ability to evaluate intraoperative cartilage tissue.The first part of our work consisted in defining the most accurate qualitative and quantitative parameters to evaluate osteoarthritis-induced cartilage lesions according to the latest literature. This preliminary part seemed necessary to further develop peroperative cartilage evaluation strategies. Indeed, to our knowledge, no existing technique allowed cartilaginous tissue characterization. Among the quantitative parameters, the assessment of the cartilage surface on a micrometric scale appeared to be best correlated to the histological grades of osteoarthritis which are the gold standard. This review of the literature also revealed that the structural parameters, both biomechanical and biochemical, lacked of actual correlation with histological arthrosis stages, which limits their interest in fundamental research. Finally, we noticed the most appropriate imaging systems for cartilage characterization (MRI, SEM, etc.) were unusable peroperatively and were very rarely used in vivo.In the second part of our work, we evaluated the ability of full field optical coherence tomography (FFOCT) imaging to characterize cartilaginous tissue. We described the principle of full field OCT, its advantages and disadvantages compared to the other existing imaging techniques listed in our review of literature. We then displayed the results of the descriptive, qualitative and quantitative evaluations of osteoarthritic cartilage lesions by full field OCT. This experimental work is, to our knowledge, the first to develop a semi-automatic algorithm in order to assess cartilage degeneration on FFOCT images. This allowed us to identify six surface parameters strongly correlated with OARSI histological arthrosis.In the third part of the thesis, we tried to determine the clinical applicability of this work, exposed further perspectives and explained the research work that we lead. Indeed, although the surface parameters were strongly correlated with the osteoarthritis grades, it seems essential to develop and validate new quantitative parameters that can be combined with these first ones. We are currently working on two structural parameters: the cell density of the superficial layers of the cartilage and the analysis of the surface roughness of the cartilage. At the same time we are working on the development of a peroperative and minimally invasive imaging system for endoscopic surgery. The endoscopic probe FFOCT-NOCT developed with the LLTech company could in the future allow to characterize cartilage lesions with the parameters we validated during the ex-vivo experiments.

L’arthrose est un véritable problème de santé publique. Plus de dix millions de personnes sont atteintes en France et 35 millions aux États-Unis. L’arthrose du genou représente 35% du nombre total d’arthrose avec plus de 1,3 million de patients en Europe. Il existe de nos jours plusieurs solutions permettant de traiter l’arthrose du genou, suivant le caractère dégénératif de la maladie, allant du traitement chirurgical conservateur, tel que l’ostéotomie supérieure du tibia, jusqu’au traitement chirurgical prothétique, tel que l’arthroplastie totale du genou. Le succès à long terme de ces interventions repose (1) sur le contrôle de l’alignement du membre inférieur au cours de l’intervention, réalisé par l’intermédiaire de l’angle HKA entre les centres hanche, genou et cheville, et (2) sur une planification chirurgicale permettant de préparer l’intervention, et notamment, définir la position optimale des coupes osseuses pour la mise en place d’une prothèse à partir de modèles 3D de l’os du patient issus d’images tomodensitométriques (TDM) ou IRM. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l’étude et l’évaluation, dans un contexte clinique, de la précision et la robustesse des techniques utilisées en chirurgie assistée par ordinateur pour la localisation du centre hanche, nécessaire au calcul de l’angle HKA. Nous avons ainsi proposé une nouvelle méthode, mini-invasive, et particulièrement adaptée pour l’ostéotomie supérieure du tibia. Nous nous sommes ensuite intéressés aux méthodes de segmentation permettant d’extraire la surface osseuse du genou à partir d’IRM pour la phase de planification. Nous avons également proposé une nouvelle approche, automatique, qui se base sur des modèles actifs de forme ou Active Shape Model (ASM). Compte tenu des résultats très encourageants, l’intégration de nos contributions en routine clinique pourrait, potentiellement, améliorer le service médical rendu pour le traitement de l’arthrose du genou. / Osteoarthritis is a real public health problem. More than ten million people are affected by osteoarthritis in France and 35 million in the United States. Knee Osteoarthritis represents 35% of the total number of osteoarthritis with more than 1.3 million patients in Europe. Today, there are several solutions to treat knee osteoarthritis depending on the degenerative nature of the disease : from conservative surgical treatment, such as High tibia Osteotomy (HTO), to prosthetic surgical treatment, such as Total Knee arthroplasty (TKA). The long-term success of these interventions is (1) the control of the lower limb alignment, during the intervention, which can be obtained by measuring the HKA angle between the hip, the knee and the ankle centers, and (2) the surgical planning allowing the preparation of the intervention, and for instance, the definition of the optimal cuts for the placement of a knee prosthesis based on the 3D model of the patient bone obtained from computerized tomography (CT) or MRI. We were interested, first, in the study and evaluation, in a clinical context, of the accuracy and precision of the methods used in computer-assisted orthopedic surgery for the localization of the hip center. We have thus proposed a new minimally invasive method especially adapted to HTO. We were interested, then, to the segmentation methods allowing the extraction of the knee bony surface from MRI for the surgical planning. We have also proposed a new automatic approach based on active shape models (ASM). Given the very encouraging results, the integration of our contributions in the clinical routine could, potentially, improve the medical benefits for the treatment of knee osteoarthritis.

Ce travail rapporte le développement et la validation d’un système de mesure pour l’étude cinématique des rotations du genou en 3 dimensions. Pour cela, nous avons dans un premier temps étudié in‐vitro les avantages apportés par un système de mesure de référence par rapport à l’évaluation du clinicien. Dans un second temps, nous avons développé un outil de mesure optoélectronique utilisable dans un contexte clinique. Nous avons réalisé une étude de reproductibilité de ce système pour des mesures de rotation interne‐externe en charge sur une série de sujets sains. Enfin, nous avons utilisé le système en condition réelle lors d’une étude clinique de revue à 2 ans de recul. 16 sujets opérés d’une rupture partielle du LCA ont été revus lors d’une consultation. Des mesures de rotation interne‐externe du genou en charge ainsi que des mesures de proprioception ont été réalisées. / The purpose of this work was to develop and to validate a new device for clinical 3D rotational kinematic evaluation of the knee. With this aim in view, we demonstrated in‐vitro the advantages of using a device for clinical evaluation of the knee. After, we developed a clinical opto‐electronic device. We validated it with a protocol for knee examination during an active weight bearing test of rotational laxity on healthy subjects. Last, the device was used in actual conditions for a clinical study. 16 patients were examined 2 years after an ACL partial reconstruction. Weight bearing tests of rotational laxity and proprioception evaluation were performed on the patients.

L’analyse 3D du mouvement humain repose généralement sur un ensemble d’hypothèses permettant de modéliser et d’approcher la complexité du corps humain. Le but de ce travail de thèse est de s’affranchir des hypothèses les plus classiques (liaisons simples et parfaites de type rotule ou pivot) dans les calculs de cinématique et de dynamique inverse allant jusqu'à l'estimation des forces musculo-tendineuses. La première partie de la thèse traite de la cinématique articulaire du genou à l’aide de modèles cinématiques « géométriques » représentant les structures anatomiques par des éléments simples (sphère, plan, barre). Ces modèles apparaissent sous la forme de contraintes lors des calculs de cinématique (effectués notamment par optimisation multi-segmentaire). Le travail réalisé a consisté à introduire des ligaments déformables par l’utilisation de méthodes de pénalités pour la gestion de cescontraintes. Il a été montré que ces méthodes, utilisées avec un modèle géométrique générique, permettaient une amélioration de l’estimation de la cinématique du genou in-vivo basée sur des marqueurs cutanés (par rapport aux autres méthodes classiques) en introduisant des couplages articulaires physiologiques. La flexibilité des méthodes permet également d’envisager lapersonnalisation des modèles. La seconde partie se penche sur la dynamique du membre inférieur en étudiant l’influence des actionspassives des structures péri-articulaires durant la marche. Le travail a consisté en une étude locale et une étude globale de ces actions. L’étude locale a montré que l’influence des moments passifs ligamentaires reste limitée sur les forces musculo-tendineuses et les forces de contact articulaire. L’étude globale a montré que les moments passifs de l’ensemble des structures péri-articulaires ontune contribution substantielle aux moments moteurs durant la marche et que les modèles de moments passifs ligamentaires disponibles dans la littérature ne sont pas fiables. L’ensemble de ces développements cherche, à terme, à permettre une approche multi-échelle de la modélisation du membre inférieur. Dans cette optique, la modélisation articulaire proposée (avec desliaisons qui ne sont plus ni simples ni parfaites) permet un couplage plus adapté entre les différentes modélisations (de type multi-corps rigides articulés et éléments finis). / The main objective of this work is to overcome the most classical hypotheses used in kinematics (lower pair mechanical joints) and inverse dynamics computation (joints without resistance) including the estimation of muscular forces. Kinematics is addressed in the first part of the thesis by using “geometric” kinematic models consisting in simple elements (sphere, plane, shaft) modeling the anatomical structures. These models correspond to constraints in the kinematic computation (especially in multi-body optimization). The work consisted in introducing deformable ligaments by using a penalty-based method. It has beenshowed that this method used with a generic geometric model improved the estimation of the knee kinematics from the skin markers, when compared to more classical methods, and introduce physiological couplings between the degrees of freedom. Model personalization is also considered thanks to the flexibility of the method. The influence of the passive structure actions during gait is studied in the second part of the thesis. The work consisted in a local and a global study of those actions. The local study showed that the influence on the joint contact and musculo-tendon forces of the ligament passive moments is limited. The global study showed that the passive moments of the whole peri-articular structures contribute to the motor moments during gait and that the passive ligament moments available in the literature are not appropriate. The long term objective of those studies is to develop a multi-scale approach of the lower limb modeling. The proposed articular modeling (with more complex joints) allows a better interaction between the different scales of modeling (rigid multi-body vs. finite elements).

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le Laboratoire de génie tissulaire est reconnu pour ses réalisations en ce domaine. Le principal défi soulevé par cette approche est le choix de la matrice des tissus reconstruits. Mes travaux ont consisté à établir une technologie de synthèse de collagène humain recombinant à des fins expérimentales et cliniques. Ce collagène sera utilisé éventuellement pour produire des substituts du ligament croisé antérieur (LCA) du genou, par génie tissulaire. Ces substituts ligamentaires pourraient être une alternative de remplacement des LCA rupturés. Le Dr. Nazrul Islam a conceptualisé une stratégie moléculaire pour construire un plasmide incluant les gènes codant pour les deux chaînes du collagène humain de type 1 et les deux sous-unités de l'enzyme prolyl-4-hydroxylase. Des cellules d'insecte ont été transfectées avec ce vecteur, en exploitant le système de bacul ovi rus, pour synthétiser le collagène recombinant. J'ai participé à chaque étape et à la mise au point des protocoles optimisé à grande échelle de cette nouvelle technologie, pour ensuite purifier le collagène et le caractériser biochimiquement. Mes superviseurs et moi-même considérons que ces travaux ont réussi et que bientôt, des substituts ligamentaires humains seront greffés pour évaluer leur intégration dans une articulation du genou in vivo.