Ce travail de thèse avait comme objectif l'amélioration des outils de planning préopératoire tridimensionnels (P3D) pour l'arthroplastie totale de la hanche. Lors de l'utilisation d'implants sans ciment, une bonne stabilité primaire est requise pour obtenir une ostéointégration satisfaisante. Pour cela, une sélection appropriée de la taille et de la position de la prothèse est indispensable. En utilisant des images scanner obtenues par tomographie à rayon X de la hanche des patients, le chirurgien peut se servir du P3D pour faire la sélection de l'implant et anticiper sa position finale. Aujourd'hui, les méthodes de planning disponibles ne fournissent pas de critère mécanique qui pourrait refléter la qualité du contact os-implant. Nous proposons une méthode pour l'amélioration du P3D basé sur une analyse vibratoire par éléments finis pour le calcul de paramètres mécaniques personnalisés et liés á la stabilité primaire. Nos résultats suggèrent que la réponse modale de la tige est très sensible aux changements de l'aire de contact et de la raideur apparente de l'interface os-implant. Une transition marquée du comportement modal associée à un ancrage plus ou moins bon a permis de définir des seuils qui pourraient potentiellement discriminer des implants stables et instables dans le cadre du planning. Nous avons aussi étudié l'effet de la procédure de râpage et son possible impact sur le P3D. L'effet de la râpe sur la microstructure de l'os à l'interface os-implant a été analysé ex-vivo à l'aide d'images de micro-scanographie. Une distribution spatiale de la raideur de l'os en contact avec l’implant a aussi été obtenue par indentation des mêmes pièces anatomiques. / This thesis work is concerned with the enhancement of three-dimensional preoperative planning (P3D) tools for total hip reconstruction. When cementless implants are used, primary stability is vital for a good osseointegration. For this, a correct selection of the size and position of the implant is necessary. The surgeon may use P3D based on the computed tomography scanner of the patient’s hip to optimally select the implant’s size and anticipate the final implant’s position. Available planning methods lack a mechanical criterion reflecting the actual quality of the bone-implant contact. In this work we propose a method to improve P3D using a vibrational finite element analysis to calculate patient-specific mechanical parameters representative of primary stability. We found that the modal response of the stem is very sensitive to changes of the area and apparent stiffness of the bone-implant interface. A clear transition between loose and tight contact allowed the definition of thresholds that could potentially discriminate between a stable and an unstable stem. We also studied the effect of the broaching procedure and its relevance for P3D. The effect of broaching on bone microstructure at the bone-implant interface was analyzed using cadaveric samples and micro-computed tomography. A mapping of the stiffness of bone in contact with the implant was obtained with indentation on the same cadaveric samples.

L' arthroplastie de la hanche par prothèse non cimentée est une solution couramment employée pour les patients rencontrant des problèmes du système locomoteur. Une telle solution présente toutefois un inconvénient majeur, souligné par tous les utilisateurs : le manque de stabilité primaire de la prothèse. Or, cette faiblesse peut provoquer des complications graves, voire l'échec de l'opération chirurgicale. Par conséquent, parvenir à une bonne fixation primaire est un point crucial de ce type d'opération chirurgicale pour assurer cliniquement une satisfaction à court et long terme.Dans le but de mieux appréhender cette problématique centrale, une piste préopératoire a été adoptée. Un modèle éléments finis permettant de décrire le comportement mécanique du système couplé " os-prothèse non cimentée : DePuy Corail® " a été développé et validé par des expérimentations in vitro. Puis, pour tenir compte de la forte variabilité des paramètres du modèle, inhérente à la nature même du problème, une modélisation stochastique de ces derniers a été introduite et une stratégie mécano-probabiliste proposée, destinée d'une part à quantifier en termes probabilistes l'effet sur la réponse des incertitudes affectant les paramètres du modèle, et d'autre part à évaluer la stabilité primaire du système os-prothèse en contexte fiabiliste. La mise en oeuvre pratique de cette approche a été réalisée à l'aide d'outils numériques basés sur la méthode de Monte-Carlo standard et une procédure de collocation stochastique.L'originalité du travail présenté réside avant tout dans la proposition d'une méthodologie probabiliste capable de prendre en compte les incertitudes dans la problématique de la stabilité primaire des prothèses de hanche non cimentées. Elle tient également dans la potentialité de cette méthodologie à être facilement transplantable en contexte industriel.

L' arthroplastie de la hanche par prothèse non cimentée est une solution couramment employée pour les patients rencontrant des problèmes du système locomoteur. Une telle solution présente toutefois un inconvénient majeur, souligné par tous les utilisateurs : le manque de stabilité primaire de la prothèse. Or, cette faiblesse peut provoquer des complications graves, voire l'échec de l'opération chirurgicale. Par conséquent, parvenir à une bonne fixation primaire est un point crucial de ce type d'opération chirurgicale pour assurer cliniquement une satisfaction à court et long terme.Dans le but de mieux appréhender cette problématique centrale, une piste préopératoire a été adoptée. Un modèle éléments finis permettant de décrire le comportement mécanique du système couplé « os-prothèse non cimentée : DePuy Corail® » a été développé et validé par des expérimentations in vitro. Puis, pour tenir compte de la forte variabilité des paramètres du modèle, inhérente à la nature même du problème, une modélisation stochastique de ces derniers a été introduite et une stratégie mécano-probabiliste proposée, destinée d'une part à quantifier en termes probabilistes l'effet sur la réponse des incertitudes affectant les paramètres du modèle, et d'autre part à évaluer la stabilité primaire du système os-prothèse en contexte fiabiliste. La mise en oeuvre pratique de cette approche a été réalisée à l'aide d'outils numériques basés sur la méthode de Monte-Carlo standard et une procédure de collocation stochastique.L'originalité du travail présenté réside avant tout dans la proposition d'une méthodologie probabiliste capable de prendre en compte les incertitudes dans la problématique de la stabilité primaire des prothèses de hanche non cimentées. Elle tient également dans la potentialité de cette méthodologie à être facilement transplantable en contexte industriel. / The hip arthroplasty with cementless hip prosthesis is a solution usually used for the patients suffering the problems of the musculoskeletal system. However, such a solution has a major disadvantage, pointed by all users : the lack of primary stability of the prosthesis. This weakness can cause serious complications or failure of the surgery. Therefore, to achieve a good primary fixation is a crucial point of this type of surgery to ensure a short and a long term clinical satisfaction. In order to better understand this central issue, a preoperative track is adopted. A finite element model to describe the mechanical behavior of the coupled system " femur-cementless prosthesis : DePuy Corail® "has been created and validated by the experiments in vitro. Then, in order to take into account the high variability of model parameters, inherent to the nature of the problem, the stochastic modeling of random input parameters has been introduced and a mechanical-probabilistic strategy has been proposed, on the one hand to quantify, in probabilistic terms, the effect, on the response, of the uncertainties affecting the input parameters of the model, and on the other hand to evaluate the primary stability of the bone-prosthesis system in reliability context. The practical implementation of this approach is realized by using the numerical tools based on the standard Monte Carlo method and the stochastic collocation procedure. The originality of the work presented is primarily in the proposition of a probabilistic methodology capable of taking into account the uncertainties in the problem of primary stability of cementless hip prostheses. It also lies in the potentiality of this methodology to be transplantable easily in industrial context.