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

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse, née d’une collaboration entre le laboratoire LEMTA et l’entreprise Novastep, a pour but de concevoir une prothèse de resurfaçage des têtes métatarsiennes des rayons latéraux (2ème, 3ème et 4ème orteils). Ces rayons sont touchés par de nombreuses pathologies (arthrose, maladie de Freiberg, …) pouvant engendrer des douleurs et être handicapantes au quotidien. Bien que de nombreuses solutions prothétiques pour le resurfaçage des têtes métatarsiennes soient disponibles sur le marché, elles sont en majorité conçues pour le resurfaçage du 1ier rayon. La prothèse de Novastep est donc prévue pour offrir une solution viable pour le traitement de ces pathologies. Le développement de la prothèse passe par plusieurs étapes qui sont : • La recherche des exigences médicales et mécaniques à respecter ; • La conception de la prothèse ; • La mise au point de la technique opératoire (instrument pour la pose) ; • La réalisation des essais (vérification des performances de la prothèse). Ce cycle de conception permet de justifier les performances de la prothèse dans l’optique d’obtenir l’autorisation de mise sur le marché. En parallèle de la conception de la prothèse de resurfaçage, une étude de remodelage des métatarsiens après implantation a été effectuée. Cette étude a pour but, dans un premier temps, de présenter et valider un protocole pour la préparation des modèles EF de remodelage osseux à partir de données tomodensitométriques spécifiques au patient. Dans un deuxième temps, cette étude a permis d’analyser l’impact de la prothèse de Novastep sur l’os et de comparer ces résultats avec ceux obtenus pour une prothèse concurrente (LMHI de Wright Medical). Dans un dernier temps, l’influence de différents paramètres de la loi de remodelage et du modèle a été étudiée. A notre connaissance, ce travail est le premier portant sur le remodelage osseux d’un métatarsien prothésé. A terme, ce travail pourra aboutir à la création d’un outil d’aide à la décision destiné aux concepteurs pour les choix technologiques de design des prothèses et aux chirurgiens pour sélectionner la technique chirurgicale la plus adaptée à chaque patient. Pour ce faire, il sera nécessaire de valider les résultats issus des prévisions numériques de remodelage avec des résultats cliniques post-opératoires / This doctoral thesis, the result of a collaboration between LEMTA laboratory and Novastep company, explains the design of a metatarsal head resurfacing prosthesis of the lateral toes (2nd, 3rd and 4th toes). These toes can be affected by several pathologies, including arthritis and Freiberg’s disease, which are painful and can bec ripping in everyday life. Although many prosthetic solutions for the resurfacing of the metatarsal heads are available on the market, they are often developed for the first toe only. Novastep’s prosthesis was developed to afford a viable solution for the treatment of those pathologies in other toes as well. The development of this prosthesis requires several steps which are: • The definition of medical and mechanical requirements which must been taken into account ; • The design of the prosthesis ; • The development of the surgical technique, that is, the instrumentation for setting up the prosthesis ; • Mechanical and clinical testing to verify the performance of the prosthesis. This design cycle permits justification of the device’s performance necessary to obtain the market approval. In parallel with the resurfacing prosthesis, a study of metatarsal bone remodeling after implantation was realized. This study aimed to present and validate a protocol for the preparation of finite element models of bone remodeling from patient specific computed-tomography data. It also permitted analysis of the impact of the Novastep’s prosthesis on the metatarsal and comparison of those resuts with results obtained with a competitor’s equivalent prosthesis (LMHI of Wright Medical). To our knowledge, this study was the first on the bone remodeling of a prosthetic metatarsal. In the long term, this work could lead to the creation of a decision-making tool for designers for the technological choices of prosthesis design

Mémoire numérisé 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.

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

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.

Introduction Le remplacement prothétique est le traitement ultime pour la dégénérescence avancée de la hanche. Cependant, l’usure prématurée des surfaces de frottement métal contre polyéthylène conventionnel (MoPc) réduit de façon importante sa longévité chez les patients jeunes et actifs. Pour surmonter ce problème, des surfaces de frottement alternatives ont été proposées, notamment les couples métal-métal (MoM) et céramique-céramique (CoC). Le but de cette étude est d'évaluer la survie à long terme de ces surfaces d'appui lors du remplacement total de la hanche (PTH) avec une articulation de petit diamètre MoM ou CoC et du resurfaçage de la hanche (RH) MoM. Méthodes La survie des implants a été évaluée à long terme dans deux études où les sujets ont été randomisées pour une PTH MoM 28 mm (99 hanches) ou un RH (104 hanches) dans l’étude 1 ou une PTH CoC (71 hanches) ou MoPc (69 hanches) dans l’étude 2. Les mesures d’efficacité principales comparés, au dernier recul, était le taux de révision, les taux de complications, score fonctionnels validés, et les signes radiographiques anormaux. Résultats Étude 1, après un suivi moyen de 15 ans, la survie avec révision pour toutes causes était de (89,2 % pour le RH versus 94,2 % pour la PTH MoM, p=0,292). Toutefois avec une révision aseptique comme critère d'évaluation, la survie était significativement plus élevée dans les PTH (97,4 % contre 89,2 % ; p=0,033). Les deux groupes ont obtenu des scores fonctionnels similaires. Étude 2, après un suivi moyen de 21 ans, la survie était significativement plus élevée (96,9% vs 73,6%, p<0,001) pour les PTH CoC versus MoPc. À l'évaluation radiographique, 13 % des MoPc étaient considérés descellées versus aucune CoC et 61 % des MoPc versus 6 % des CoC présentaient des signes d’ostéolyse (p<0,001). Les PTHs CoC avaient des scores moyens de WOMAC significativement plus élevés que le groupe MoPc (11.0 vs 19.4; p = 0.048). Conclusion L’utilisation de couples dur-dur MoM ou CoC en PTH ou RH ont offert une excellente survie et fonction à long terme chez une clientèle de sujets jeunes et actifs. En comparaison, le taux d’échec élevé du couple MoPc confirme qu’il doit être abandonné. Les résultats de cette étude doivent être mis en perspective avec les résultats futurs des nouveaux couples métal contre polyéthylènes réticulés. / Introduction Prosthetic replacement is the ultimate treatment for advanced hip degeneration. However, premature wear of the metal-on-conventional polyethylene (MoPc) bearing surfaces significantly reduces its longevity in young and active patients. To overcome this problem, alternative bearing surfaces have been proposed including metal-on-metal (MoM) and ceramic-on-ceramic (CoC) bearings. The aim of this study is to evaluate the long-term survival of these bearing surfaces during total hip replacement (THA) with a small diameter MoM or CoC bearings and hip resurfacing (HR) MoM. Methods Long-term implant survival was assessed in two studies where subjects were randomized to 28mm MoM THA (99 hips) or HR (104 hips) in Study 1, or CoC THA (71 hips) or MoPc (69 hips) in Study 2. The main outcome measures compared, at final follow-up, were revision rate, complications’ rate, validated functional scores, and abnormal radiographic signs. Results Study I: after a mean of 15 years, survivorship with endpoint all-cause revision was 89.2% for HR versus 94.2% for MoM THA MoM (p = 0.292). However, with aseptic revision as an endpoint, survivorship was significantly higher in MoM THA (97.4%) compared to (89.2%) in HR (p = 0.033). Both groups achieved similar functional scores. Study II: after a mean follow-up of 21 years, survivorship was significantly higher in CoC (96.9%) versus (73.6%) in MoPc THAs (p<0.001). On radiographic evaluation, 13% MoPc were considered loose versus non in CoC, and 61% MoPc versus 6% CoC showed osteolytic signs (p<0.001). CoC had better mean WOMAC scores than MoPc (11.0 vs 19.4; p = 0.048). Conclusion Good long-term survival and function for HR and MoM 28-mm THA implants with similar overall rates of complications and revisions. CoC provided excellent results compared to MoPc at more than 20-year follow-up.