Thèse de doctorat : Médecine : Nancy 1 : 1999. / 1999NAN19909. Titre provenant de l'écran-titre.

Ce travail doctoral a pour objectif de mettre en place des méthodes permettant de quantifier les efforts subits par le nageur avec palme, lors de la pratique de 3 activités (Natation, Randonnée Aquatique et Body-Board). Pour ce faire, un modèle utilisant des procédures de dynamique inverse a été mis en place. Dans la première phase de cette étude, la cinématique tridimensionnelle des 3 segments du membre inférieur gauche a été analysée. Il en résulte 3 cinématiques fondamentalement différentes. Avec un modèle type Bottum-Up, la mesure d’efforts distaux est nécessaire. Un robot palmeur a donc été développé, afin de reproduire la cinématique du pied pour chacune des ces pratiques et ainsi permettre une mesure fiable des forces et moments au centre articulaire de la cheville. Ainsi, nous avons quantifié via le modèle, les moments au genou et à la hanche. Ainsi, via le robot nous pouvons quantifier l’effet d’un design de palme sur les efforts subit par l’utilisateur à la cheville, et s’assurer par le modèle que les efforts ne sont pas répercutés sur le genou ou la hanche. En plus de cette étude biomécanique, une analyse de l’activité musculaire a été réalisée sur les principaux muscles moteurs du membre inférieur, pour différentes cinématiques et différents designs de palme. Les résultats nous ont prouvé que le design de la palme a un effet non uniforme sur l’ensemble des muscles, et que pour chacune des pratiques, les demandes musculaires ne sont pas similaires. / The present work had in objective to develop some methods to quantify the joint torque endured by a fin swimmer during is activity for 3 sports (Swimming, Snorkeling, Body-Board). In this way, a model using inverse dynamic methods has been done. During the first step of this study, the 3D kinematic of each activity was mad on the 3 segments of the lower limbs, and this allows defining 3 specifics motions. For a Bottom-Up model, a forces measurement on distal segment is needed to make the calculation. So, a swimming fin robot has been develop to reproduce the foot kinematics for each activity and measure all forces and torques on the ankle joint. By this way, with all this inputs, by the model we can quantify the demands on knee and hip. With this robot, we measure the effect of design modification on muscular request on the joint ankle, and by the model we assure torques are not postpone on knee or hip. In addition to this biomechanical study, a muscular activities study has been realise on the main muscle, and this for different kinematics and different fin blade shapes. The results acknowledge that the fin designs differentiate the effect on specific muscles, and that for each activity the muscular requests are not the same.

Comme toute articulation fonctionnelle, l’articulation interphalangienne proximale(IPP) est la cible de lésions ou de pathologies pouvant compromettre les fonctions globales de la main. Les principaux objectifs d’une arthroplastie digitale sont de restituer la fonction et la stabilité de l’articulation et de réduire ou supprimer la douleur de manière durable. Le présent travail de thèse porte sur le développement et la modélisation de deux concepts prothétiques pour l’articulation IPP : une prothèse semi-contrainte en alliage de nickel-titane et une prothèse de resurfaçage. Outre le travail de dimensionnement, des essais de fatigue et d’usure sont conduits sur les deux implants. Des études complémentaires à chaque concept sont présentées. Celles-ci portent en premier lieu sur la mise en forme et les traitements thermiques de la prothèse semi-contrainte accompagnées d’une étude de relargage de nickel et une investigation sur les mécanismes mis en jeu. Enfin, une modélisation par éléments finis de l’interaction entre une prothèse articulaire et son environnement osseux est présentée de manière à évaluer la stabilité primaire des implants / As any functional joint, the proximal interphalangeal joint (PIP) is the target of hurts or of pathologies which can compromise the global functions of the hand. The main objectives of a digital arthroplasty are to restore the function and the stability of the joint and to reduce or suppress the pain in a long-lasting way. The present work of thesis concerns the development and the modeling of two concepts of PIP prostheses: a semiconstrained prosthesis made of nickel-titanium alloy and a resurfacing prosthesis. Besides the work of sizing, fatigue and wear tests are done on both implants. Additional studies are presented for each concept. First, we focus on the shaping and the heat treatments of the semi-constrained prosthesis accompanied with a study nickel ion release and an investigation on the involved mechanisms. Eventually, a finite element modeling of the interaction between the prosthesis and the surrounding bone is presented to estimate the primary stability of implants

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l'ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Pour l'instant aucun traitement permettant la réparation du tissu cartilagineux n'est vraiment disponible hormis la pose d'un implant articulaire. Mais, malgré de nombreux efforts pour développer de nouveaux matériaux pour les implants articulaires leur durée de vie in vivo s'avère souvent très décevante par rapport aux extrapolations faites à partir de simulations ex-vivo. Les discordances entre les durées de vie in vivo et ex vivo sont principalement imputées aux conditions d'essais ex vivo insuffisamment réalistes vis-à-vis des propriétés physico-chimiques des lubrifiants biologiques. Dans ce contexte, ce travail vise à agir sur la réactivité physicochimique des surfaces frottantes des implants articulaires en UHMWPE afin de maîtriser l'accrochage des molécules lubrifiantes de type phospholipidique (MPC) et ainsi d'augmenter leurs performances tribologiques. Les résultats montre que l'activation physicochimique des surfaces de UHMWPE par des couches de MPC peuvent diminuer l'usure des surfaces polymères d'implant mais cela nécessite un contrôle de la qualité de la couche MPC greffée (densité surfacique, épaisseur, accrochage chimique, adsorption physico-chimique) afin de garantir une bonne tenue mécanique et tribologique. D'autre part les résultats montrent que la présence de lubrifiant biologique (substitut du fluide synovial à base de liposomes) peut réduire l'usure des surfaces de UHWPE même si la couche de MPC est peu dense et peu épaisse / The osteoarticular diseases account for approximately 10% of all identified pathologies in France each year. Currently there is really no effective treatment available for repairing of the cartilage tissue except for the installation of articular implants. However, in spite of many efforts to develop new materials for articular implants, their lives in-vivo is often disappointing compared with the extrapolations from ex-vivo simulations. The discordances between the lives in-vivo and ex-vivo are mainly contributed to the experimental conditions of ex-vivo insufficiently realistic related to the physic-chemical properties of biological lubricants. In this context, this work aims to investigate physicochemical reactivity of friction surface of UHMWPE articular implants to control the attachment to the lubricating molecules of phospholipid types (MPC) and increase their tribological performance. The results showed that the physicochemical activation of UHMWPE surface with layers of MPC can reduce the surface wear of polymer implant but it requires some quality controls of the grafted MPC layer (surface density, thickness, chemical bonding, physical and chemical adsorption) to ensure good mechanical and tribological performance. In addition, the result also showed that the presence of organic lubricant (substitute synovial fluid containing liposomes) can reduce the surface wear of UHMPE even if the layer is sparse and thin

L'arthrose est une maladie dégénérative de l'articulation qui provoque des douleurs, une raideur et une diminution de mobilité. La quantification de l’interligne articulaire est la mesure qui permet de diagnostiquer la maladie et de suivre son évolution. A ce jour, la radiographie conventionnelle est la méthode de référence pour ce diagnostic et ce suivi. Néanmoins, l'articulation du genou et ses modifications structurales sont trop complexes pour permettre un diagnostic à un stade précoce à partir de simples images 2D. Une des pistes prometteuses de la recherche sur le diagnostic précoce est l’exploitation de l’information 3D de l’interligne. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse qui a pour but la segmentation et la quantification 3D de l’interligne articulaire afin d’atteindre l’objectif du diagnostic précoce de l’arthrose de genou. Au cours de cette thèse nous avons développé une méthode de quantification semi-automatique de l’interligne articulaire. La cartographie 3D des distances générée a permis de caractériser la morphologie de l’espace articulaire sur des images haute résolution 3D. Pour atteindre l’objectif de quantification à basse dose, deux approches ont été explorées. La première consistait à proposer une approche de segmentation 3D du volume osseux à partir d’un faible nombre de projections. La deuxième approche consiste à réaliser la quantification 3D de l’interligne sur des images issus d’un scanner basse dose obtenue à l’aide d’autres algorithmes mis en œuvre par les partenaires du projet VOXELO. La segmentation de l’interligne a été dans ce cas utilisée comme un critère de qualité de la reconstruction selon ces différents algorithmes.Afin de tester la robustesse de notre approche, nous avons utilisé des images haute résolution selon 2 types de géométrie du faisceau ou des images à faible dose et également sur des images scanner clinique in vivo. Ceci nous permet de conclure que la méthode de quantification de l’interligne que nous avons développé en 3D est potentiellement applicable sur des images provenant de différents appareils de scanner. Cet outil sera potentiellement utile pour détecter les stades précoces et suivre la progression de l'arthrose en clinique. / Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease that causes pain, stiffness and decrease mobility. Knee OA presents the greatest morbidity. The main characteristic of OA is the cartilage loss inducing joint space narrowing. Usually, the diagnosis and progression of OA is monitored by the joint space measurement. Actually, conventional radiography is the reference method for the diagnosis and monitoring. However, the knee joint and structural changes are too complex to be assessed from simple 2D images especially at early stage. A promising research into early diagnosis is the use of 3D. The objective of our thesis is to provide a tool for a 3D quantification of joint space in order to achieve the goal of early diagnosis of knee osteoarthritis. In this thesis we have developed a semi-automatic method for the quantification of joint space. The 3D map generated allowed us to characterize the morphology of the joint space widths on 3D high resolution images.To achieve the goal of low-dose quantification, two approaches have been explored. The first was to provide a 3D segmentation method for bone extraction from a limited number of projections. The second approach is to perform the 3D quantification from a low dose scan obtained using other algorithms implemented by our partners of VOXELO project. The segmentation of the joint space was used as a quality criterion according to these different algorithms.To test the robustness of our approach, we used high-resolution images with different geometry acquisition types and low-dose images. We have also done a test on clinical CT images in vivo. This allows us to conclude that the method we developed is potentially applicable to images from different scanner devices. This tool can be used for detecting the early stages and track the progress of the clinical osteoarthritis

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

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

L’arthrose et l’arthrite rhumatoïde sont deux pathologies articulaires caractérisées par la dégradation du cartilage articulaire, subséquente à la production de divers médiateurs inflammatoires. Le traitement de ces pathologies se limite généralement à soulager le patient des épisodes douloureux et inflammatoires et à améliorer sa qualité de vie. Dans le cas de l’arthrose, peu de traitements permettent d’enrayer significativement l’évolution de la dégradation du cartilage et donc de la maladie. Par contre, l’arthrite rhumatoïde peut être efficacement ralentie grâce à l’administration de certaines molécules. Néanmoins, ces traitements n’ont généralement montré qu’une efficacité à court-terme, requérant une administration fréquente. L’objectif de ce travail repose donc sur l’élaboration de nouvelles options thérapeutiques permettant de réduire la fréquence d’administration ainsi que les effets indésirables des traitements actuels. La délivrance de molécules en intra-articulaire associée à une libération prolongée offre l’avantage d’exposer les sites directement impliqués dans l’évolution de la maladie à une ou plusieurs molécules efficaces contre l’inflammation et la douleur, et aidant à la régénération du cartilage, durant plusieurs semaines, voire des mois.<p>Des microparticules de PLGA chargées en clonidine ou en bétaméthasone ont donc été optimisées afin d’obtenir des efficacités d’encapsulation appréciables (clonidine HCl :EE ≈ 20% ;dipropionate de bétaméthasone :EE ≈ 70%), une taille adaptée à l’administration intra-articulaire (12 – 38 µm) et une libération de la molécule s’échelonnant sur 5 à 8 semaines. La libération prolongée de la clonidine implique des mécanismes de diffusion de la molécule ainsi que de dégradation/érosion du polymère. Au vu de l’absence de réaction inflammatoire, les microparticules développées sont correctement tolérées par les chondrocytes, synoviocytes, PBMC et neutrophiles, principales cellules impliquées dans les mécanismes inflammatoires de l’arthrose et de l’arthrite rhumatoïde. L’évaluation de l’efficacité anti-inflammatoire des microparticules vides et chargées en clonidine ou en bétaméthasone via l’étude de l’expression et de la sécrétion de différents médiateurs de l’inflammation a permis d’aboutir à plusieurs conclusions :(i) les microparticules vides sont associées à un effet anti-inflammatoire, (ii) les microparticules chargées en clonidine n’ont pas montré d’activité anti-inflammatoire propre pouvant être attribuée à la clonidine, et (iii) les microparticules de bétaméthasone ont confirmé l’effet anti-inflammatoire de la bétaméthasone. Enfin, l’étude de la toxicité des principes actifs et microparticules vides ou chargées a montré une toxicité significative de la clonidine sur les synoviocytes. Néanmoins, l’encapsulation des principes actifs dans les microparticules de PLGA a permis d’éliminer cette toxicité, protégeant donc efficacement les cellules articulaires.<p>Les microparticules développées permettent alors d’envisager l’encapsulation d’autres molécules anti-inflammatoires ou une combinaison de molécules ayant des effets complémentaires (anti-inflammatoire et antidouleur). L’utilisation de la clonidine dans ces indications devra être réévaluée en étudiant de façon approfondie son efficacité dans la douleur. / Both osteoarthritis and rheumatoid arthritis are articular diseases characterized by the degeneration of the joint cartilage, resulting from the production of various inflammatory mediators. The current treatment of these diseases is restricted to alleviate the painful and inflammatory episodes of the patients and to improve its quality of life. In osteoarthritic patients, few treatments allow to significantly stop the evolution of the degradation of the cartilage and, consequently, the disease. In rheumatoid arthritis, the evolution can be slowed down following the administration of some drugs. Nevertheless, these treatments are often associated to a short-term efficacy. The objective of this work is to develop new therapeutic options that allow to reduce the frequency of administration and the side effects of the current treatments. The intraarticular delivery combined to controlled-release presents the advantage to expose the sites directly involved in the evolution of the disease to one or more molecules effective to relieve the pain, inflammation and to help the regeneration of the cartilage.<p>Clonidine or betamethasone-loaded PLGA microparticles were optimized to reach suitable encapsulation efficiencies (clonidine HCl: EE ≈ 20%; betamethasone dipropionate: EE ≈ 70%), an appropriate size for an intraarticular delivery (12 – 38 µm) and a controlled-release of the molecule over 5 to 8 weeks. The release of clonidine implies mechanisms of diffusion and degradation/erosion of the polymer. Given the absence of an inflammatory reaction, the developed microparticles were properly tolerated by the chondrocytes, synoviocytes, PMBC and neutrophils, which are the main cells involved in the inflammatory reaction of osteoarthritis and rheumatoid arthritis. The assessment of the anti-inflammatory efficacy of the drug-free and drug-loaded microparticles through the evaluation of the expression and the secretion of various inflammatory mediators allowed to draw several conclusions: (i) drug-free microparticles were associated to an anti-inflammatory effect, (ii) clonidine-loaded microparticles did not show any anti-inflammatory activity that could be attributed to clonidine, and (iii) betamethasone- loaded microparticles confirmed the anti-inflammatory effect of betamethasone. Finally, the evaluation of the toxicity of the drugs and microparticles showed a significant toxicity of clonidine against synoviocytes. Nevertheless, the encapsulation of the drugs in PLGA microparticles induced the suppression of this toxicity, protecting in this way the articular cells. <p>Entrapping other anti-inflammatory molecules or a combination of molecules with complementary effects (anti-inflammatory and anti-nociceptive drugs) in the PLGA microparticles developed has to be considered. Moreover, the use of clonidine in these indications has to be reassessed by a thorough study of its anti-nociceptive potential.<p><p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif de ce travail est d'élaborer un modèle mécanique de la hanche saine susceptible d'être utilisé comme référence pour pouvoir ensuite analyser le comportement de hanches pathologiques en évaluant l'effet des traitements préconisés par comparaison des différents comportements simulés. Dans ce contexte, un modèle éléments finis générique de l'articulation de la hanche est développé. Il est également nécessaire de déterminer l'état de chargement de l'articulation de la hanche pour notre simulation. L'analyse du mouvement permet le calcul des données cinématiques et dynamiques à partir des mesures expérimentales. A partir de ces données, un modèle musculo-squelettique associant une méthode de dynamique inverse et d'optimisation statique, permet de déterminer les efforts musculaires mis en jeu par les muscles croisant l'articulation de la hanche. L'évaluation des forces développées par les muscles de la hanche permet de calculer la réaction de contact articulaire exercée par le fémur sur le bassin. C'est cette réaction que nous implémentons dans le modèle éléments finis. Ainsi, les simulations du comportement de la hanche saine sont réalisées pour la phase d'appui de la marche et la phase d'appui de la montée d'escaliers. Nous traitons ensuite d'une application clinique visant à évaluer l'influence du port d'une orthèse podale sur le comportement mécanique d'une hanche arthrosique. La démarche suivie est la même que celle mise en place pour l'étude du comportement de la hanche saine. L'état de chargement de la hanche arthrosique est déterminé chez le patient pendant la marche et la montée d'escaliers évoluant successivement avec puis sans orthèses.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.