L'ingénierie tissulaire, qui consiste à remplacer un tissu lésé par un biosubstitut constitué de cellules réparatrices ensemencées dans une matrice de support biodégradable, possède un potentiel prometteur pour la réparation du Ligament Croisé Antérieur (LCA). Or, aucune solution opérationnelle n'a encore été proposée à ce jour, notamment au vu du nombre de domaines scientifiques impliqués. Dans ce travail, nous avons dressé un cahier des charges pour la définition de cette matrice en nous appuyant sur l'état de l'art. Une matrice de support tressée multicouche constituée de fibres de P(LL85/CL15) a été imaginée, puis les outils nécessaires à sa fabrication à l'échelle du laboratoire ont été mis en place. Nous avons ensuite développé des outils numériques spécifiques permettant la modélisation de sa géométrie et de son comportement biomécanique multi-échelles, qui ont été mis à profit afin d?optimiser les caractéristiques de la matrice compte tenu du cahier des charges établi. De plus, des caractérisations biologiques ont montré que la matrice était compatible avec la culture de cellules souches, et était susceptible d?accueillir la formation d'un néo-tissu. Par ailleurs, nous avons mis en place un bioréacteur spécifique permettant d'imposer à la matrice de support des cycles de traction-torsion sous environnement contrôlé. L'utilisation des informations locales issues de la modélisation biomécanique, afin d'interpréter ou d'optimiser les résultats de culture cellulaire sous sollicitations cycliques, constitue une perspective majeure du présent travail. Notre investigation permet en outre de penser qu'un nouveau biosubstitut pour le LCA pourrait prochainement être proposé / Tissue engineering, which consists in replacing an injured tissue with a biodegradable scaffold seeded with cells, has the potential to overcome the limitations associated with current reconstructions strategies of the Anterior Cruciate Ligament (ACL). However, no relevant solution has been proposed yet, especially due to the variety of scientific fields involved in this approach. In the current study, the key requirements for the design of a new scaffold have been listed from the current state of art. A scaffold based on P(LL85/CL15) fibers arranged into a multilayer braided structure has been proposed, and the tools needed to process this scaffold have been developed. Dedicated numerical tools have been proposed in order to predict the morphological and multiscale biomechanical behavior of the scaffold. These simulation tools have enabled to optimize the scaffold geometry in order to match the selected key requirements for ACL tissue engineering. Moreover, preliminary biological assessments have shown that the scaffold was suited for the culture of stem cells and for tissue formation. In addition, a dedicated bioreactor has been developed in order to prescribe tension-torsion cycles within a controlled environment. The use of local information issued from the biomechanical simulations open large perspectives as far as the optimization of culture conditions and the understanding of mechanisms that govern the formation of a ligamentous tissue are concerned. As a conclusion, the present study is likely to enable a new solution for ACL tissue engineering to emerge in the next years

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic. / The anterior cruciate ligament (ACL) is involved in approximately 20% of all sports-related knee injuries. An injury to the ACL, the primary stabilizer of the knee, will lead to knee joint instability and functional impairment. Unfortunately, current clinical assessments of ACL-deficient patients present limitations with respect to the investigation of the impact of the injury on knee function. A 3D knee biomechanical assessment could provide innovative information to overcome these drawbacks. The main objective of the doctoral theses is to demonstrate the role of biomechanics in (1) the investigation of the impact of the injury on knee function and in (2) the diagnostic process. Twenty-nine ACL-deficient patients and a control group of fifteen healthy participants took part in a 3D knee biomechanical assessment during treadmill walking. By assessing the 3D knee biomechanical patterns of each group we observed that ACL-deficient patients adopted a gait compensatory mechanism: the Pivot-shift avoidance gait. The explanation for this adaptative strategy is to avoid placing the knee in a position biomechanically favorable to anterolateral rotatory instability during gait. Furthermore, an automatic classification method capable of distinguishing ACL deficient patients from an asymptomatic population was developed. Features were extracted from the 3D knee biomechanical patterns using a wavelet decomposition method and then classified by the nearest neighbour rule. The proposed classification method obtained a level of accuracy, sensitivity and specificity of 88%, 90% and 87% respectively. This method shows great potential as a diagnostic aid in a clinical setting. This thesis demonstrates that biomechanics plays a substantial role in the management of ACL injuries by improving the understanding of the impact of the injury on knee function and by its capacity to serve as a diagnostic aid.

La luxation du genou, bien que très rare, demeure une blessure dévastatrice car elle entraîne de multiples complications en raison de la nature complexe du traumatisme associé à cette lésion. La luxation peut résulter d'un traumatisme à haute ou basse énergie. Les blessures sévères aux ligaments et aux structures associées donnent à la luxation du genou un potentiel élevé d'atteinte fonctionnelle. Le traitement conservateur, qui était considéré comme acceptable auparavant, est maintenant réservé à un très faible pourcentage de patients. La reconstruction chirurgicale est maintenant préconisée dans la plupart des cas, mais de nombreuses options existent et le traitement chirurgical optimal à préconiser reste controversé. Certains chirurgiens recommandent la reconstruction complète de tous les ligaments endommagés le plus tôt possible, tandis que d'autres, craignant l’établissement d’arthrofibrose, limitent l'intervention chirurgicale immédiate à la reconstruction du ligament croisé postérieur et de l'angle postéro-externe. En raison des multiples structures endommagées lors d’une luxation du genou, les chirurgiens utilisent couramment la combinaison des autogreffes et des allogreffes pour compléter la reconstruction ligamentaire. Les complications associées au prélèvement de la greffe, l'allongement de la greffe, l’affaiblissement précoce du greffon ainsi que les risques de transmission de maladies ont poussé les chirurgiens à rechercher différentes options d’intervention. L'utilisation de matériaux synthétiques pour le remplacement du ligament lésé a été proposée dans les années ´80. Après une première vague d'enthousiasme, les résultats décevants à long terme et les taux élevés d'échec ont diminué sa popularité. Depuis lors, une nouvelle génération de ligaments artificiels a vu le jour et parmi eux, le Ligament Advanced Reinforced System (LARS) a montré des résultats prometteurs. Il a été utilisé récemment dans les reconstructions isolées du ligament croisé antérieur et du ligament croisé postérieur pour lesquelles il a montré de bons résultats à court et moyen termes. Le but de cette étude rétrospective était d'évaluer la fonction et la stabilité du genou après la luxation aiguë suivant la reconstruction des ligaments croisés avec le ligament artificiel de type LARS. Cette étude a évalué 71 patients présentant une luxation du genou et qui ont subi une chirurgie de reconstruction du ligament croisé antérieur et du ligament croisé postérieur à l'aide du ligament LARS. Suite à la chirurgie le même protocole intensif de réadaptation a été suivi pour tous les patients, où la mise en charge progressive était permise après une période d’environ 6 semaines pendant laquelle la force musculaire et la stabilité dynamique se rétablissaient. Les outils d’évaluation utilisés étaient le score Lysholm, le formulaire de «l’International Knee Documentation Committee», le «Short Form-36», les tests cliniques de stabilité du genou, l'amplitude de mouvement articulaire à l’aide d’un goniomètre et la radiographie en stress Telos à 30° et 90° de flexion du genou. Le même protocole d’évaluation a été appliqué au genou controlatéral pour des fins de comparaison. Les résultats subjectifs et objectifs de cette étude sont satisfaisants et suggèrent que la réparation et la reconstruction combinées avec ligaments LARS est une alternative valable pour le traitement des luxations aiguës du genou. Ces résultats démontrent que ces interventions produisent des effets durables en termes d’amélioration de la fonction et révèlent la durabilité à long terme des ligaments artificiels LARS. Les patients sont à la fois plus autonomes et plus satisfaits avec le temps, même si la luxation du genou est considérée comme une catastrophe au moment où elle se produit. Des études prospectives randomisées sont maintenant nécessaires afin de comparer la sélection de la greffe et le délai de reconstruction chirurgicale. / Knee dislocation, although very rare, remains a devastating injury with many complications because of the complex nature of this trauma. This uncommon injury can result from either a high or low energy trauma. The severe damage to the knee’s ligaments and associated structures render this injury at high potential for functional impairment. Non operative treatment which was once deemed acceptable, is now reserved for very low demand patients. Surgical reconstruction is now the standard of care for most patients, however many options exist but the optimal surgical treatment remains controversial. Some surgeons advocate early complete reconstruction of all damaged ligaments, whereas others who fear arthrofibrosis, limit the immediate surgery to reconstruction of the posterior cruciate ligament and the posterolateral corner. Because of the multiple structures damaged by knee dislocations, surgeons have been successfully using combinations of autografts and allografts for complete knee ligament reconstruction. Complications associated with graft harvesting, graft elongation and early weakness as well as risks for disease transmission has pushed surgeons to look for different options. The use of synthetic material for ligament replacement was proposed in the 1980’s. After an initial wave of enthusiasm, poor long term results and high rates of failure diminished its popularity. Since then, a new generation of artificial ligaments has emerged, the Ligament Advanced Reinforced System (LARS) has shown promising results. It recently has been used in isolated anterior cruciate ligament and posterior cruciate ligament reconstruction and has shown good short to medium term results. The purpose of this retrospective study was to evaluate the knee function and stability after acute knee dislocation reconstructed with LARS artificial ligaments. This study assessed the results of 71 patients with knee dislocations who underwent acute combined repair and reconstruction of anterior cruciate ligament and posterior cruciate ligament using LARS artificial ligaments. After the surgery all patients followed the same intensive rehabilitation protocol. Progressive weight bearing was permitted over 6 weeks as muscle strength and dynamic stability were regained. The outcome measures used were the Lysholm score, the International Knee Documentation Committee form, the Short Form-36, clinical knee stability testing, a goniometer to mesure the range of motion and Telos stress radiography at 30° and 90° of knee flexion. The non-operated knee of the patient was used as a baseline for the operated knee. The subjective and objective findings from this study are satisfactory and suggest that acute combined repair and reconstruction with LARS ligaments is a valid alternative for treating acute knee dislocations. These findings demonstrate sustained results in terms of function and revealed durability of LARS artificial ligaments at long-term. Patients seem to get more autonomous and satisfied with time even though acute knee dislocation is seen as a catastrophe when it happens. Randomised, prospective trials are now needed to compare graft selection and timing of the surgical reconstruction.

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Le ligament croisé antérieur (LCA) demeure un des ligaments du genou le plus souvent blessé. Un mauvais positionnement des tunnels osseux est souvent mis en cause dans les échecs de reconstructions du LCA. Une meilleure compréhension biomécanique du phénomène devient essentielle. Par l’utilisation de l’imagerie biplanaire stéréoradiographique à faible irradiation EOS , notre groupe a développé une méthode de reconstruction 3D permettant une description morphologique osseuse remarquable. Par l’entremise de ce système, un référentiel permet d’évaluer, de manière automatisée, précise et reproductible, le positionnement tridimensionnel des tunnels osseux. Notre groupe souhaite partager ce référentiel afin d’assister les chirurgiens orthopédistes à restaurer une biomécanique optimale dans les reconstructions du LCA. / The anterior cruciate ligament (ACL) remains one of the most injured ligament of the knee. Mispositioning the tunnels remains a common cause of ACL reconstruction failure. A better biomechanical description of this phenomenon is therefore essential. Using the low irradiation biplanar stereoradiographic EOStm imaging system, our group developed a 3D reconstruction method allowing a precise morphologic description of the knee. With this system, the tridimensional positioning of the femoral tunnel can be evaluated in a novel, computerized, precise and reproducible coordinate system. With this referential, our group wish to assist orthopedic surgeons in the restoration of optimal biomechanics in ACL reconstructions.

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic. / The anterior cruciate ligament (ACL) is involved in approximately 20% of all sports-related knee injuries. An injury to the ACL, the primary stabilizer of the knee, will lead to knee joint instability and functional impairment. Unfortunately, current clinical assessments of ACL-deficient patients present limitations with respect to the investigation of the impact of the injury on knee function. A 3D knee biomechanical assessment could provide innovative information to overcome these drawbacks. The main objective of the doctoral theses is to demonstrate the role of biomechanics in (1) the investigation of the impact of the injury on knee function and in (2) the diagnostic process. Twenty-nine ACL-deficient patients and a control group of fifteen healthy participants took part in a 3D knee biomechanical assessment during treadmill walking. By assessing the 3D knee biomechanical patterns of each group we observed that ACL-deficient patients adopted a gait compensatory mechanism: the Pivot-shift avoidance gait. The explanation for this adaptative strategy is to avoid placing the knee in a position biomechanically favorable to anterolateral rotatory instability during gait. Furthermore, an automatic classification method capable of distinguishing ACL deficient patients from an asymptomatic population was developed. Features were extracted from the 3D knee biomechanical patterns using a wavelet decomposition method and then classified by the nearest neighbour rule. The proposed classification method obtained a level of accuracy, sensitivity and specificity of 88%, 90% and 87% respectively. This method shows great potential as a diagnostic aid in a clinical setting. This thesis demonstrates that biomechanics plays a substantial role in the management of ACL injuries by improving the understanding of the impact of the injury on knee function and by its capacity to serve as a diagnostic aid.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Avec l'émergence des voyages spatiaux, plusieurs adaptations physiologiques ont été recensées en état d'apesanteur. L'apesanteur dans l'espace décroît l'activité et le chargement mécanique des muscles les plus importants pour déplacer et supporter le poids du corps, dans le but de maintenir une posture droite. Ces muscles, principalement les groupes musculaires des membres inférieurs, sont appelés muscles supporteurs du poids ; en réponse à une utilisation réduite, ils s'affaissent et dépérissent, ou s'atrophient. Les changements incluent une réduction de la grosseur du muscle [59, 60], la décomposition des protéines musculaires [61], la réduction de la force [69, 70] et de l'endurance [60] musculaires, de même que des changements dans les types de fibres présentes dans les muscles [61]. La faiblesse et le mauvais fonctionnement musculaire survenant suite à une exposition aux vois spatiaux réfèrent communément à l'atrophie musculaire fonctionnelle induite par microgravité (l'atrophie musculaire fonctionnelle signifie une réduction du volume des muscles liée à l'inactivité). Aucun de ces changements ne présente un problème pour les astronautes tant et aussi longtemps qu'ils n'effectuent que de légers travaux. Pour les astronautes, le problème devient critique lorsqu'ils reviennent sur terre et que les muscles affaiblis sont de nouveau soumis à la force de gravité intégrale. Dans une situation d'urgence, les individus aux muscles affaiblis seraient moins aptes à répondre rapidement ou à utiliser la force musculaire. À présent, l'atrophie musculaire fonctionnelle des muscles des membres inférieurs induite par microgravité demeure un sérieux problème pour les astronautes qui poursuivent un vol spatial prolongé. Des contremesures comme l'exercice physique [91] peuvent aider au maintien de la -force et des fonctions musculaires, toutefois l'exercice seul est insuffisant pour prévenir l'excès en perte musculaire. Ainsi, il est nécessaire de développer des solutions plus efficaces. La présente recherche a été entreprise afin d'évaluer l'efficacité de la stimulation électrique thérapeutique (SET) pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle et le mauvais fonctionnement musculaire chez des patients ayant subi une reconstruction du ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA est fréquemment lésé au cours de pratiques sportives. Une atrophie et un affaiblissement significatifs du groupe musculaire du quadriceps femoris (GMQF) survient suite à la reconstruction du LCA [131] et s'applique aux adaptations neuromusculaires survenant chez les astronautes suite à une exposition prolongée en état d'apesanteur. L'objectif de cette recherche était d'entreprendre des expériences préliminaires afin de déterminer le paradigme de stimulation le plus efficace pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle des membres inférieurs induite par microgravité chez les astronautes. Le recours à des patients ayant subi une reconstruction du LCA fournit un modèle adéquat servant à étudier les traitements pouvant minimiser de tels déficits des fonctions musculaires. Au total, 24 patients ont été assignés au hasard dans deux groupes, soit un groupe expérimental (n=12) ou un groupe contrôle (n=12), suite à la reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire. Durant les 12 semaines suivant l'opération, tous les patients ont suivi un programme standard de réhabilitation. De plus, le groupe expérimental a reçu un traitement par SET pendant six à huit heures, et ce, cinq soirs par semaine. Le torque maximal isocinétique du GMQF, le travail et la puissance moyenne ont été mesurés dans les deux membres inférieurs à 60°/sec et à 180°/sec, en plus de l'activation neurale (iEMG) et de la fréquence de la puissance -médiane (MED) des muscles vastus medialis et vastus lateralis, avant l'opération et à six et 12 semaines après l'opération. Toutes les mesures ont été standardisées en pourcentage du GMQF sain. Les résultats indiquent qu'après l'opération, le torque maximal isocinétique, le travail et la puissance moyenne étaient significativement réduits (p<0,01) dans le GMQF lésé, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semaines, comparativement aux valeurs préopératoires. L'activité iEMG du muscle vastus lateralis était significativement réduite à six (p<0,01) et à 12 semaines (p<0,05) suite à l'opération. Toutefois, aucune réduction significative de l'activité iEMG du vastus medialis n'a été observée, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semâmes après l'opération. Le MED est passé à des fréquences plus basses dans les muscles vastus lateralis (p<0,01) et vastus medialis (p<0,05) lorsque mesurée à six semaines. Cependant, 12 semaines après l'opération, le MED du vastus lateralis était revenu aux valeurs préopératoires, alors que le changement de MED du vastus medialis persistait (p<0,05). Aucune différence significative n'a été observée entre les groupes contrôle et expérimental en terme de mesures du torque maximal isocinétique et d'activation des muscles vastus lateralis et vastus medialis tout au long de l'étude. En conclusion, la SET combinée à la réhabilitation n'a pas fourni de bénéfice supplémentaire en terme d'amélioration de la récupération du GMQF au début de la phase postopératoire chez des patients ayant subi une reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire.