L’objectif de cette étude est de vérifier si un ciment ostéoconducteur résorbable utilisé comme technique de fixation de greffons ostéochondraux permet d'obtenir une stabilité initiale supérieure à celle obtenue avec la technique de mosaicplastie originalement décrite. Il s’agit d’une étude biomécanique effectuée sur des paires de fémurs cadavériques bovins. Pour chaque paire de fémurs, des greffons ostéochondraux autologues ont été insérés et stabilisés au moyen d’un ciment biorésorbable (Kryptonite, DRG inc.) sur un fémur alors qu’au fémur controlatéral, les greffons ont été implantés par impaction selon la technique usuelle de mosaicplastie. Des greffons uniques ainsi que des greffons en configuration groupée ont été implantés et soumis à une évaluation biomécanique. Les charges axiales nécessaires pour enfoncer les greffons de 1, 2 et 3 mm ont été comparées en fonction de la technique de stabilisation utilisée, ciment ou impaction, pour chaque configuration de greffons. Les résultats démontrent que les greffons ostéochondraux cimentés uniques et groupés ont une stabilité initiale supérieure à celle de greffons non cimentés sur des spécimens cadavériques bovins. L’obtention d’une plus grande stabilité initiale par cimentation des greffons ostéochondraux pourrait permettre une mise en charge précoce post-mosaicplastie et mener à une réhabilitation plus rapide. / The objective of this project is to compare the primary stability of osteochondral autografts stabilized with a resorbable osteoconductive bone cement to that of bottomed press fit grafts inserted according to the original mosaicplasty technique. Biomechanical testing was conducted on pairs of cadaveric bovine femurs. For each femoral pair, osteochondral grafts were inserted and stabilized with an osteoconductive bone cement (Kryptonite, DRG inc.) on one bone whereas on the controlateral femur, grafts were inserted in a press fit fashion. Grafts were inserted in 2 different configurations, single grafts as well as groups of 3 adjacent grafts, and submitted to biomechanical testing. Axial loads needed to sink the grafts to 1, 2 and 3 millimeters below cartilage level were recorded and compared according to the fixation technique, cement or press-fit impaction, for each graft configuration. According to those results, cemented osteochondral autografts appear more stable than press fit grafts for both single and 3-in-a-row configurations. Using such a cementation technique could potentially prevent the initial loss of stability that has been shown to occur with osteochondral grafts in the post-operative period, allowing patients to perform early weight bearing and rehabilitation.

L'analyse de la marche et la mesure du déplacements des articulations humaines ont été largement étudiées. Les artefacts de tissus "mous" sont une source fréquente d'erreur pour la plupart des méthodes de mesure utilisées. La procédure standard en analyse de la marche consiste à utiliser une combinaison de mesures pour l'estimation efficace des angles articulaires et de la position des segments du corps humain. Ce travail propose le développement d'un système d'analyse de la marche reposant sur un robot parallèle à câbles équipé de plusieurs capteurs mesurant spécifiquement les déplacements du genou. Nous considérons le cas général pour lequel les articulations humaines se comportent comme des joints à 6 degrés de liberté reliant deux segments du corps. Afin de déterminer la position et l'orientation de ces segments, 14 câbles y sont attachés, ce qui permet de considérer ces segments comme les organes effecteurs de robots parallèles. Leur position peut alors être calculée à partir de la mesure de la longueur des câbles. Cependant, ces mesures sont entachées de bruit à cause des artefacts de tissus "mous". Afin d'améliorer la précision des résultats, le système propose aussi l'utilisation d'autres capteurs de nature différente : plusieurs capteurs inertiels (avec accéléromètres et gyroscopes), un système de motion capture, des capteurs de pression plantaire, des capteurs de distance (IR et résistance variable) et des capteurs de force pour mesurer la contraction musculaire. Plusieurs approches globales sont disponibles pour l'analyse du genou lors de la marche. Les choix technologiques effectués impactent directement sur la conception de notre système et imposent le développement de matériel spécifique pour mener à bien les mesures, tel que le collier flexible utilisé d'une part pour permettre l'attache des câbles sur les segments du patient et d'autres part pour supporter les capteurs supplémentaires. Nous traitons le collier comme une chaîne cinématique sérielle et nous proposons une méthode d'étalonnage qui ne nécessite pas d'utiliser les mesures angulaires des articulations contrairement aux méthodes existantes. Nous décrivons le protocole expérimental ainsi que les méthodes utilisées pour synchroniser les données issues de plusieurs ordinateurs. Les données sont ensuite fusionnées pour obtenir la pose du collier et donc celle des segments du patient. Enfin, ce travail permet d'identifier les modifications à apporter au système pour une meilleure analyse de la marche, ce qui pourra servir de base à un système de rééducation complet.

Pour répondre aux exigences du gouvernement fédéral quant aux temps d’attente pour les chirurgies de remplacement du genou et de la hanche, les établissements canadiens ont adopté des stratégies de gestion des listes d’attentes avec des niveaux de succès variables. Notre question de recherche visait à comprendre Quels facteurs ont permis de maintenir dans le temps un temps d’attente répondant aux exigences du gouvernement fédéral pendant au moins 6-12 mois? Nous avons développé un modèle possédant quatre facteurs, inspiré du modèle de Parsons (1977), afin d’analyser les facteurs comprenant la gouvernance, la culture, les ressources, et les outils. Trois études de cas ont été menées. En somme, le 1er cas a été capable d’obtenir les exigences pendant six mois mais incapable de les maintenir, le 2e cas a été capable de maintenir les exigences > 18 mois et le 3e cas a été incapable d’atteindre les objectifs. Des documents furent recueillis et des entrevues furent réalisées auprès des personnes impliquées dans la stratégie. Les résultats indiquent que l’hôpital qui a été en mesure de maintenir le temps d’attente possède certaines caractéristiques: réalisation exclusive de chirurgie de remplacement de la hanche et du genou, présence d’un personnel motivé, non distrait par d’autres préoccupations et un esprit d’équipe fort. Les deux autres cas ont eu à faire face à une culture médicale moins homogène et moins axés sur l’atteinte des cibles; des ressources dispersées et une politique intra-établissement imprécise. Le modèle d’hôpital factory est intéressant dans le cadre d’une chirurgie surspécialisée. Toutefois, les patients sont sélectionnés pour des chirurgies simples et dont le risque de complication est faible. Il ne peut donc pas être retenu comme le modèle durable par excellence. / In response to federal government requirements regarding wait times for elective hip and knee surgery, hospitals have adopted wait list management strategies, with variable success. This research examined organizational and systemic factors that made it possible to keep wait times within federally established limits of 6-12 months. We used a model based on Parsons’ model. Four dimensions were used to analyze the following factors: governance, culture, resources, and tools. Three cases studies were done: Case 1 was able to meet the requirements for six months but unable to sustain this level; Case 2 was able to maintain compliance with requirements for > 18 months; and Case 3 was never able to meet the requirements. Documents were collected and interviews conducted with people involved in the strategies. In all, eight interviews were conducted at each site and all documents related to each strategy were collected. The results indicated that the one hospital that was able to maintain compliance with the wait time requirements had specific characteristics: an exclusive mandate to do only hip and knee replacement surgery; motivated staff who were not distracted by other concerns; and a strong team spirit. The two other cases had to contend with a medical culture that was less homogeneous and they were less focused on meeting targets and had resources that were dispersed as well as unclear inter-organizational policies. In the end, the hospital factory model is appealing in the context of superspecialized surgery. However, because patients are selected for simple surgeries, with little risk of complications, it cannot be promoted as a sustainable model of excellence.

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel. / Understanding the evolution of bipedality is a critical part of research in paleoanthropology, as it is the single-most important trait used to identify fossils as belonging to the hominin lineage. The topography of the infradiaphyseal plane could provide insight into the locomotor behaviour of fossil species, but has not been studied extensively. This trait directly reflects differences in locomotion, as the surface changes to resist loads incurred by regular movement. Humans have an infradiaphyseal plane that is relatively flat, while this feature is very convoluted in great apes. This project studied this feature in the femur and tibia quantifiably to allow for statistical comparisons between species and to provide a better understanding of its ontogenic development. Three-dimensional landmarks were recorded from the metaphyses of the knee in humans, chimpanzees, gorillas, orang-utans, and three Australopithecus afarensis fossils. Using these landmarks, angles formed by the salient points of these planes were analyzed to confirm observations that development and species have a significant effect on the topography of growth plates of the knee. Carrying angles of the femur and tibia were also measured and analyzed. Results revealed that development and species, and by extension, mode of locomotion, have a significant effect on the overall metaphyses of the knee, especially on the sagittal plane. It was also found that A. afarensis have values that overlap human and great ape ranges, suggesting this species had probably retained an arboreal component in its regular locomotion.

La sécurité du piéton est un problème de santé publique, qui doit être traité tant par les acteurs de la recherche que par l'industrie automobile pour apporter des solutions technologiques innovantes. Dans les accidents impliquant des piétons, le premier contact est généralement localisé sur les membres inférieurs exhibant de fréquentes et nombreuses lésions pouvant être très sévères. Compte tenu des caractéristiques biomécaniques du membre inférieur, comment améliorer les critères de blessures existants pour contribuer au développement d'une voiture moins agressive pour les piétons ? La présente étude vise donc à promouvoir des améliorations significatives de critères de blessure des membres inférieurs pour la sécurité des piétons combinant des essais expérimentaux et des simulations numériques. Un modèle par éléments finis des membres inférieurs (modèle LLMS) a été utilisé et amélioré pour étudier les réponses mécaniques des membres inférieurs dans des conditions de chargement realists. Une attention particulière a été accordée sur la capacité du modèle à prédire séparément les blessures des os longs et celles de l'articulation du genou pour développer deux critères de blessures distincts. Pour le tibia, la nature de sa structure et les conditions de chargement qui lui sont appliquées nous ont conduit à proposer une courbe quadratique de moment en flexion qui tient compte de différents points d'impact. Pour le genou, le critère de blessure a été établi à partir d'une fonction combinant cisaillement latéral et flexion latérale. Ce critère permet de hiérarchiser la nature et la sévérité des lésions en fonction du mécanisme de blessure prépondérant. / Pedestrian safety is a worldwide concern, which needs to be investigated by both vehicle manufacturers and researchers to approach innovative solutions. In car-Pedestrian accidents, lower limbs have been demonstrated to be the most frequently injured body region of the pedestrian. Given the biomechanical features of lower limbs, how the existing injury criteria could be improved to aid the development of a pedestrian friendly car? The current study aims to promote significant improvements in the injury criteria of lower limbs for pedestrian safety combining experimental tests and numerical simulations. A finite element lower limb model (LLMS model) was used and improved to investigate the mechanical responses of lower limbs in the loading conditions reflecting the car-Pedestrian impact. A particular attention was paid on the model ability of predicting separately the injuries of long bones and knee joints to develop the corresponding injury criteria. With regard to the tibia structure and its loading condition in pedestrian accidents, we proposed a quadratic curve of bending moments to tibia locations as its injury tolerance. Given dominant injury mechanisms of the ligaments, the knee injury criterion was established as a function of combined joint kinematics including lateral bending and lateral shearing. Moreover, these criteria are relevant with the previous and current experimental test results. Finally, the efficiency of the proposed criteria was evaluated by a parametric study of the realistic car-Pedestrian impact conditions.

Une prothèse de genou est généralement, composée de deux parties fixées respectivement sur le fémur et sur le tibia et d’une troisième, dite intercalaire. Durant le processus de fabrication de ces composants des déformations apparaissent au niveau des bruts de fonderie. Les fabricants de prothèses choisissent d’assurer l’épaisseur nominale de la prothèse en enlevant une épaisseur constante sur le brut de fonderie. Cette opération est généralement réalisée manuellement. L’objectif de ces travaux de thèse est de contribuer à l’automatisation de ces opérations en proposant une méthode d’adaptation des trajectoires d’usinage aux variations géométriques de la surface cible. L’objectif de ce travail de recherche est d’adapter une trajectoire d’usinage sur un modèle nominal pour enlever une épaisseur constante sur une surface brute de fonderie mesurée. La méthode proposée commence par une étape d’alignement de la surface mesurée sur la trajectoire nominale en utilisant un algorithme d’ICP. Par la suite, la trajectoire nominale est déformée pour venir enlever l'épaisseur désirée sur la surface brute mesurée. Cette dernière est définie, dans ces travaux, suivant un modèle STL. Naturellement, les discontinuités de ce type de modèle induit une impression des motifs du STL sur la trajectoire adaptée et, donc, sur la pièce usinée. Par la suite, afin de d’atténuer ce problème et d’améliorer la qualité de fabrication, il est proposé de procéder à un lissage de la trajectoire.Afin de valider les développements théoriques de ces travaux, des essais ont été réalisés sur une machine cinq axes pour l’ébauche de composants fémoraux d’une prothèse uni-compartimentale de genou. / Commonly, knee prostheses are composed of two parts fixed respectively on femur and tibia, and a third one called intercalary. During the manufacturing process, of these components distortions appear on roughcast workpiece geometry. Thus, prosthesis manufacturers choose to ensure the nominal thickness of the prosthesis by removing a constant thickness on the roughcast workpiece. This operation is generally carried out realized manually.The aim of this thesis is to contribute to the automation of these manual operations by providing a method to adapt the machining toolpaths at geometrical variations of the target surface. The aim of this research work is to adapt a machining toolpath computed on a nominal model to remove a constant thickness on a roughcast measured surface. The proposed method starts with an alignment step of the measured surface on the nominal toolpath using an ICP algorithm. Subsequently, the nominal toolpath is deformed to remove the desired thickness of the measured rough surface defined in presented case by a STL model. Naturally, discontinuities of this type of model induce the apparition of pattern for the STL on the adapted toolpath and thus on the machined workpiece. Subsequently, to limit this problem and to improve the quality of realized surface, it is proposed a toolpath smoothing method. To validate theoretical developments of this work, tests were carried out on a five-axis machine for roughing of femoral components of a unicompartmental knee prosthesis.

La conception des robots humanoïdes est un défi depuis plusieurs années. Les articulations de l'être humain de par leur complexité cinématique créent des mouvements difficilement reproductibles par un mécanisme. Le genou humain permet des mouvements composés de roulement et de glissement. La conception de nouvelles articulations bio-inspirées est un enjeu pour recréer avec un robot une marche anthropomorphe. Une analyse de la cinématique des genoux a été effectuée et nous proposons une solution mécanique pour reproduire cette cinématique de genoux. L'idée est de recréer un genou avec un contact roulant entre le fémur et le tibia. Les modèles géométriques, cinématiques et dynamiques et un modèle d'impact sont développés pour un robot bipède muni de ce genou à contacts roulants. L'allure de marche est étudiée sous forme d'un problème d'optimisation paramétrique sous contraintes. Les trajectoires de marche sont approximées par des fonctions mathématiques pour deux allures de marche : une allure de simple support avec impacts et une allure de double support suivi d'un simple support puis d'un impact. Des critères énergétiques permettent de comparer le robot muni du mécanisme de genoux roulants à un robot muni de genoux à liaison rotoïde. Les résultats des optimisations montrent que le genou roulant apporte une diminution du critère sthénique. L'optimisation énergétique montre que les couples articulaires sont plus faibles sur les hanches ce qui engendre une diminution de la masse des actionneurs du robot. Enfin, un gain d'énergie est possible en associant des systèmes à ressorts en parallèle sur les articulations du robot. / The design of humanoids robot has been a tricky challenge for several years. Due to the kinematic complexity of human joints, their movements are notoriously difficult to be reproduced by a mechanism. The human knees allow movements including rolling and sliding, and therefore the design of new bio-inspired robots is of utmost importance for the reproduction of anthropomorphic walking in a robot. In this thesis, the kinematic characteristics of knees were analyzed and a mechanical solution reproducing them is proposed. The geometrical, kinematic and dynamic models are created together with an impact model for a piped robot with the knees proposed. The walking is studied as of a problem of parametric optimization under constraints. The trajectories of walking are simulated approximately by mathematical functions for two gaits: one of a single support with impacts and one of double supports followed by a simple support and then an impact. Energy criteria allow comparing the robot provided with the mechanism of rolling knees and a robot provided with revolute knees connection. The results of the optimizations show that the rolling knee brings a decrease of the sthenic criterion. The energy optimization shows that the articular couples are weaker on hips what engenders a decrease of the mass of the actuators of the robot. Finally, energy gains are possible by associating spring systems.

Les chirurgiens orthopédistes utilisent actuellement des guides de coupes adaptés à chaque patient afin d’effectuer l’opération d’arthroplastie totale du genou. Notamment, l’intervention chirurgicale est préparée grâce à des outils de planification où le chirurgien peut manipuler des images virtuelles du patient, construites à partir d’une imagerie médicale préopératoire. Des points de repère anatomiques permettent d’effectuer plusieurs mesures sur la jambe virtuelle afin de contrôler le positionnement des guides de coupes personnalisés par rapport aux modèles 3-D des os du genou. Nous proposons une méthode multi-atlas pour le positionnement automatique des points anatomiques pré-définis sur les maillages surfaciques modélisant le fémur et le tibia du patient. Nous exploitons un groupe d’atlas (exemples expert) constitué de plusieurs maillages triangulaires pour lesquels les points anatomiques définis ont été placés par des experts. Nous transférons les points anatomiques d’un exemple expert vers le maillage patient à travers le calcul d’un recalage global initial avec l’algorithme Iterative Closest Point (ICP) où une contrainte de courbure est utilisée en tant que dimension supplémentaire de façon à améliorer la robustesse du recalage. Des recalages locaux rigides permettent d’affiner l’adaptation pour la projection des points anatomiques sur la surface du maillage patient. Après avoir traité le maillage patient avec le groupe d’atlas, nous générons une position définitive pour chaque point de repère anatomique en utilisant une sélection automatique du jeu des meilleurs points transférés. Nous avons développé un environnement informatique accessible via internet pour la construction des modèles 3-D des os du genou du patient. Notre méthode de positionnement automatique des points de repère anatomiques est mise en œuvre sur ce système. Nous comparons notre positionnement automatique avec le positionnement manuel par des opérateurs expérimentés ainsi qu’avec des résultats rapportés dans les travaux des publications scientifiques du domaine. / Nowadays, orthopedic surgeons utilize patient-specific systems based on custom cutting guides for total knee arthroplasty. Particularly, the chirurgical operation is prepared by using planning tools where the surgeon can manipulate virtual images of the patient, built from pre-surgical medical images. Identified anatomical landmarks provide various measurements on the virtual lower limb allowing to control the positioning of the cutting guides relative to the 3-D models of the knee bones. We propose a multi-atlas method for the automatic positioning of the pre-defined landmarks on the surface of the models of the femur and the tibia of the patient. We exploit a group of atlases (expert examples) consisting of multiple triangular meshes for which the defined landmarks have been placed by experts. We transfer identified landmarks from an expert example to the patient mesh by computing an initial coarse global registration with an Iterative Closest Point (ICP) algorithm where a curvature constraint serves as a supplementary dimension in order to improve robustness. Adaptive local rigid registrations refine the fit for the projection of reference landmarks onto the surface of the patient mesh. After the patient mesh has been processed with the group of atlases, we compute a definite position for each landmark using an automatic selection of a set of best transferred landmarks. We developed a Web framework for the construction of the 3-D models of the bones of the patient. Our positioning method is implemented in this system. We compare our positioning method against the manual positioning of trained operators and against the results of published scientific works on the domain.

L’articulation du genou est sujette à de nombreuses pathologies pouvant entraîner des instabilités. Les démarches thérapeutiques incluent communément le port d’orthèses, dans le but de stabiliser ou limiter les mouvements articulaires. Malgré une forte prescription, l’évaluation de ces dispositifs manque encore de standardisation.En lien avec des médecins et des industriels, différents outils ont été développés pour évaluer leur efficacité biomécanique. Un modèle éléments finis d’un membre inférieur appareillé a notamment permis d’étudier l’effet de divers paramètres de conception d’une genouillère sur les pressions exercées et sur sa capacité à limiter un mouvement pathologique. Ce modèle a servi à valider un banc de test pouvant contribuer à l’innovation et la certification. Afin d’appréhender les problèmes de confort, le glissement des orthèses sur la peau a été caractérisé par des mesures de champ. Enfin, leurs actions in vivo ont été mesurées à l’aide d’un arthromètre sur des patients présentant une laxité.Les résultats mettent en évidence l’importance des caractéristiques techniques des orthèses et la spécificité du patient sur leurs niveaux d’action. Ainsi, il est possible de cibler des pathologies en jouant sur certains facteurs. Cependant, comparé aux structures de stabilisation passive (ligaments), le rôle des orthèses s’avère limité aux conditions de faibles sollicitations mécaniques. Néanmoins, leurs effets actifs et proprioceptifs (contrôle neuro-musculaire) seraient également à considérer.Ces outils s’avèrent complémentaires ; ils ouvrent la voie à des démarches d’évaluation standardisées et pourront également aider au développement de nouveaux produits. / The knee joint is vulnerable to various injuries and degenerative conditions, potentially leading to instabilities. Usual treatments involve orthoses, which are medical devices aimed at supporting, aligning or immobilizing the joint. However, the evaluation of these devices lacks standardisation despite high prescription and demand.In relation with clinicians and manufacturers, different tools were developed to assess their biomechanical efficiency. Firstly, a finite element analysis (FEA) of a braced lower limb was used to investigate the effects of brace design on its ability to prevent a pathological motion and understand the force transfer mechanisms. This model provided a basis to validate an experimental surrogate limb with the aim of providing an innovation and certification tool for manufacturers. In an attempt to apprehend comfort issues, full-field measurements of brace migration and FEA of contact pressures were performed. Finally, their in vivo actions were measured on ACL-deficient patients using a laxity testing device.Results highlight the importance of brace technical characteristics and patient-specificity on characterized levels of action and comfort. Furthermore, some key design factors allowed to target devices to particular pathologies. However, when compared to in vivo passive stabilizing structures (ligaments), the efficiency of knee braces was restrained to low load conditions. Nevertheless, these devices may also have a substantial effect on active stabilizing mechanisms such as neuro-muscular control.These tools were found to be complementary and may hopefully pave the way to a standardised procedure for evaluating and developing new designs.

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