Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Optimisation du positionnement des implants lors d’arthroplastie totale de hanche primaire La prothèse totale de hanche est considérée comme l’une des plus importantes avancées médicales du XXème siècle. L’objectif de ce travail était d’étudier l’orientation anatomique des structures constituant l’articulation de la hanche et d’ensuite analyser la position des implants des prothèses totales de hanche afin d’améliorer l’implantation des composants prothétiques dans le but de réduire les phénomènes de luxation, usure, fracture et douleurs inhérents à cette chirurgie. Une étude de l’orientation anatomique du ligament transverse de l’acetabulum, du labrum et des cornes a été réalisée. Ensuite nous nous sommes intéressés au composant fémoral avec des études radiographique et tomodensitométriques de l’antéversion fémorale. Nous avons essayé de mesurer l’antéversion fémorale prothétique à partir d’une radiographie de face. Ensuite, nous avons démontré que le scanner était un moyen fiable pour localiser le centre de la tête du fémur en comparaison avec un système Motion Analysis et un bras Faro. Enfin, nous avons mesuré l’antéversion fémorale avant et après PTH ainsi que la situation du centre de tête fémorale avant et après arthroplastie. Le but était d’analyser la possibilité de reproduire, avec une tige prothétique droite, l’antéversion fémorale native. Des applications pratiques de mesure de l’amplitude de mouvement prothétique ont permis de connaître, dans des cas de luxation prothétique, si le positionnement des implants était le facteur causal. Une application clinique a montré qu’en cas de positionnement non optimal de l’implant acétabulaire, l’incidence des fractures d’insert céramique était augmentée / Optimization of components’ positioning in primary total hip arthroplasty Total hip arthroplasty is one of the most important innovations of the 20th century. The aim of this study was to evaluate the anatomical orientation of articular structures of the hip and then to analyze component’s positioning in order to improve the implantation of prosthetic components to minimize dislocation, wear, fracture and pain. The anatomical orientation of transverse acetabular ligament, labrum and horns was studied. Femoral component orientation was assessed with the help of X-rays and CT-scan. We measured femoral anteversion with AP X-rays. Then, we demonstrated that CT-scan was an accurate method to localize femoral head center in comparison with Motion Analysis and Faro. Femoral anteversion and femoral head center were assessed before and after surgery. The goal was to analyze the restoration of femoral anteversion after THA with a straight cementless stem. Some cases of THA dislocations were evaluated with measurement of prosthetic ROM. It allowed us to know whether implant positioning was the risk factor of dislocation. A clinical observation showed that in case of cup malpositioning, the rate of ceramic liner fractures increased

Th.--Méd.--nancy 1, 1983. N°: 231.

La dysplasie acétabulaire est une pathologie causant de l'instabilité articulaire et une réduction de la superficie de chargement au niveau de la hanche. Celle-ci augmente le risque de développement précoce d'ostéoarthrose, causant de la douleur et menant à la perte de la fonction articulaire. La dysplasie est conventionnellement traitée par ostéotomie péri-acétabulaire, mais les effets précis de cette correction sur la biomécanique intra-articulaire restent à être élucidées. À l'aide de la méthode de simulation par éléments discrets, la distribution de pression articulaire a été évaluée de manière pré et post opératoire chez 9 patients dysplasiques. Différentes mesures orthopédiques évaluant le degré de correction acétabulaire ont été acquises et plusieurs scores numériques évaluant la surcharge articulaire ont été calculés. Des corrélations entre ces mesures et ces scores ont ensuite été effectués. Il a été noté que les mesures d'angle centre-externe latéral, d'index acétabulaire et d'index d'extrusion de la tête fémorale sont corrélés avec l'augmentation de l'aire de contact moyen durant la marche (p < 0.05, R² de 0.22 à 0.50). L'influence significative de la méthode de reconstruction cartilagineuse (distributions d'épaisseurs moyennes saine vs. dysplasique) et du profil de marche utilisé (phase d'appui moyen sain vs. dysplasique) a été remarqué auprès de la majorité des métriques évaluées. Ces résultats, ainsi que les facteurs qui les influencent, peuvent servir à assister la planification chirurgicale, effectuer des validations in-vitro d'optimisation d'ostéotomie péri-acétabulaire et, par la suite, guider la conception de nouveaux traitements. / Acetabular dysplasia causes articular instability and the reduction of the loading area in the hip. This causes the early onset of osteoarthritis which leads to pain and the eventual loss of articular function. Acetabular dysplasia is commonly treated by periacetabular osteotomy, but the precise effects of this correction on intra-articular biomechanics is not yet well known. Using discrete element analysis, pressure distribution has been calculated in the dysplastic hips of 9 patients before and after periacetabular osteotomy. A variety of radiographic measurements and numerical metrics have been evaluated in order to quantify the degree of acetabular correction and excessive loading. Correlations between these measures and metrics have been established in order to reveal any causal effects. In particular, the corrections of the lateral center-edge angle, acetabular index and femoral head extrusion index are correlated to the rise of average contact area during gait (p-value < 0.05, R² = 0.22 to 0.50). Additionally, the influence of cartilage layer reconstruction method (population-based healthy vs. dysplastic thicknesses) and loading parameters (healthy vs. dysplastic gait profiles) was significant for a majority of evaluated metrics. These results and influencing factors can help to assist with surgical planning, provide a basis for in-vitro validation of surgical optimization and act as a standard for designing new orthopedic treatments for acetabular dysplasia.

La dysplasie acétabulaire est une pathologie causant de l'instabilité articulaire et une réduction de la superficie de chargement au niveau de la hanche. Elle est généralement traitée par ostéotomie péri-acétabulaire, mais cette technique demeure très invasive et limitée. Ce travail avait comme objectif de développer une méthodologie de conception de prothèse supra-articulaire personnalisée en remplacement à cette technique. La méthodologie de conception proposée s'est basée sur des corrélations entre les mesures radiologiques des patients dysplasiques et plusieurs métriques numériques de dégradation cartilagineuse, la procédure chirurgicale de butée acétabulaire et la validation par éléments finis de la distribution de pression dans l'articulation. De plus, la revue des méthodes chirurgicales de butée acétabulaire a soulevé les effets significatifs de stabilisation de la hanche engendrés par un tel greffon. Ceci se traduit par la modification des propriétés mécaniques induites par la compression de la capsule au niveau de la couverture manquante de la tête fémorale. L'analyse de la procédure par butée acétabulaire a pu aider à définir la zone de fixation de la prothèse, ainsi que ses dimensions globales. Finalement, un modèle de simulation par éléments finis a été développé pour les calculs de distribution de pression articulaire. L'instant milieu de la phase unipodale du cycle de marche d'Harris a été utilisé pour les simulations. Une tendance préliminaire d'augmentation d'aire de contact et de diminution de pression moyenne a pu être observée pour les patients faiblement dysplasiques. Ces résultats démontrent la possibilité de quantifier l'amélioration engendrée par l'ajout d'une prothèse supra-articulaire. / Acetabular dysplasia is a pathology causing joint instability and a reduction in the surface area of the hip. It is generally treated by peri-acetabular osteotomy, but this technique remains very invasive and limited. The objective of this work was to develop a design methodology for a personalized supra-articular prosthesis as a replacement for this technique. The proposed design methodology was based on the correlations between the radiological measurements of dysplastic patients and the metrics of cartilage degradation, the surgical procedure of acetabular shelf and a finite element validation of the pressure distribution. In addition, the review of surgical methods of acetabular shelf raised the significant effects of stabilization of the hip by the graft. This results in the modification of the mechanical properties induced by the compression of the capsule at the level of the incomplete coverage of the femoral head. The analysis of the procedure by acetabular shelf helped to define the fixation zone of the prosthesis, as well as its overall dimensions. Finally, a finite element simulation model was developed for joint pressure distribution calculations. The middle instant of the unipodal phase of the Harris gait cycle was simulated. A preliminary trend of increased contact area and decreased mean pressure was observed for low dysplasia patients. These results demonstrate the possibility of quantifying the improvement caused by the addition of a supra-articular prosthesis.

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion. / In recent years, the prevalence of people suffering from joint cartilage degeneration, called osteoarthritis (OA), still increases. The joint pain and muscle stiffness related to this pathology have an impact on patients’ quality of life by limiting their functional capacities, mobility and autonomy. In order to relieve these patients, hip arthroplasty is a frequently used surgical procedure. Even if there is an improvement in quality of life and a restoration of functional capacities in these patients, some impairment seem to persist during the post-operative period. The walking velocity is slower when compared to healthy subjects, a hip abductor muscle weakness is observed and trunk compensations lasted during the post-operative period. The aim of this thesis is to evaluate patients undergoing hip arthroplasty during locomotion. More specifically, gait pattern adaptations will be quantified pre and post-operatively to revise rehabilitation programs in order to promote a healthy gait pattern. Three separate studies were conducted to meet this objective. The first study compared the effect of a large femoral head hip prosthesis and a hip resurfacing prosthesis to healthy subjects. During this study, the trunk control was analyzed using the distance between the body center of mass and the hip prosthetic joint center. The results obtained show no major difference between the two types of prosthesis and the healthy control one year post-operatively. During the second study, biomechanics parameter symmetry of the lower limb of gait pattern in patients undergoing hip arthroplasty was characterized following a peri-operative (pre and post-operatively) exercise program. The exercise program was complementary to the medical center standard rehabilitation program. Based on the results of this exploratory study, the peri-operative exercise program seems to improve the symmetry of the muscular power and work of the hip, knee and ankle which promote a healthy gait pattern without compensations. Finally, for the third study, the predictive and the functional approaches, used to locate the hip joint center, were compared to radiographic measurements in patients undergoing hip arthroplasty. The results of this study demonstrated that the functional approach was more appropriate for these patients. This individualized approach is more accurate which leads to quality improvement during biomechanical analysis of gait pattern.

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion. / In recent years, the prevalence of people suffering from joint cartilage degeneration, called osteoarthritis (OA), still increases. The joint pain and muscle stiffness related to this pathology have an impact on patients’ quality of life by limiting their functional capacities, mobility and autonomy. In order to relieve these patients, hip arthroplasty is a frequently used surgical procedure. Even if there is an improvement in quality of life and a restoration of functional capacities in these patients, some impairment seem to persist during the post-operative period. The walking velocity is slower when compared to healthy subjects, a hip abductor muscle weakness is observed and trunk compensations lasted during the post-operative period. The aim of this thesis is to evaluate patients undergoing hip arthroplasty during locomotion. More specifically, gait pattern adaptations will be quantified pre and post-operatively to revise rehabilitation programs in order to promote a healthy gait pattern. Three separate studies were conducted to meet this objective. The first study compared the effect of a large femoral head hip prosthesis and a hip resurfacing prosthesis to healthy subjects. During this study, the trunk control was analyzed using the distance between the body center of mass and the hip prosthetic joint center. The results obtained show no major difference between the two types of prosthesis and the healthy control one year post-operatively. During the second study, biomechanics parameter symmetry of the lower limb of gait pattern in patients undergoing hip arthroplasty was characterized following a peri-operative (pre and post-operatively) exercise program. The exercise program was complementary to the medical center standard rehabilitation program. Based on the results of this exploratory study, the peri-operative exercise program seems to improve the symmetry of the muscular power and work of the hip, knee and ankle which promote a healthy gait pattern without compensations. Finally, for the third study, the predictive and the functional approaches, used to locate the hip joint center, were compared to radiographic measurements in patients undergoing hip arthroplasty. The results of this study demonstrated that the functional approach was more appropriate for these patients. This individualized approach is more accurate which leads to quality improvement during biomechanical analysis of gait pattern.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les céramiques, présentant une combinaison unique de biocompatibilité, de légèreté, et de résistance à l'usure, sont d'excellents candidats pour les applications orthopédiques, et notamment les prothèses de hanche. Néanmoins, du fait de leur fragilité intrinsèque, ces biocéramiques sont particulièrement sensibles à la microfissuration suite à des chocs mécaniques répétés. Le phénomène de décoaptation, définissant la séparation de la tête et de la cupule, a été mis en évidence in vivo, et le choc mécanique en résultant peut donc fortement augmenter les risques de rupture des éléments consitutifs de la prothèse. Des essais réalisés à l'aide d'une machine de chocs originale ont permis de confirmer la formation de bandes d'usure au niveau de la tête et de la cupule, ce qui a vraisemblablement entraîné les ruptures des cupules, qu'elles soient en alumine ou en zircone. De plus, ces résultats ont conduit à émettre l'hypothèse de l'existence de rebonds de la tête dans la cupule, générant donc de multiples impacts secondaires. La dispersion des résultats ne permet pas de comparer avec certitude les durées de vie respectives des deux biocéramiques, néanmoins, des mécanismes d'usure et de rupture ont pu été proposés. En parallèle, un modèle a été développé, combinant simulations par éléments finis et simulation de croissance de défauts, afin de calculer des probabilités de rupture et de comparer les durées de vie théoriques obtenues avec les résultats expérimentaux. Le but est d'obtenir un modèle fiable afin d'étudier l'influence d'autres paramètres sur la durée de vie de la prothèse, comme par exemple l'orientation des cupules. Bien que d'autres aspects restent à développer, en particulier la prise en compte de l'érosion, ces simulations ont donné des durées de vie conformes à celles obtenues expérimentalement, ce qui a permis de mettre en évidence le rˆole prépondérant de l'orientation de la cupule. Cette étude originale, étant donné que peu de recherches avaient été menées à ce sujet auparavant, doit être complétée par un plus grand nombre d'essais, afin de confirmer les tendances observées et les hypothèses émises.