La pose d’une prothèse totale de genou (PTG) se fait selon la technique d’alignement mécanique (AM) qui corrige les déformations constitutionnelles du membre pour créer un membre rectiligne. La survie à long terme des implants est excellente mais les résultats fonctionnels sont décevants avec notamment de nombreux symptômes résiduels. Une nouvelle technique chirurgicale, l’alignement cinématique (AC), vise à rétablir l’anatomie constitutionnelle pré-arthrosique du genou, et permet une amélioration des résultats fonctionnels des PTG. Cette technique est actuellement réalisée avec des implants destinés à un positionnement mécanique, et qui ont un design trochléen ne reproduisant pas l'anatomie trochléaire native. Ceci pourrait affecter la biomécanique de l’articulation patello-fémorale et donc rendre les résultats fonctionnels des PTG cinématiques non optimal. Ce travail vise à démontrer 1) les limitations de la technique mécanique, 2) la fiabilité de la technique cinématique pour le positionnement de l’implant fémoral, et 3) que les implants actuels ne permettent pas une restauration de l’anatomie trochléenne des patients. / The conventional technique for TKA, namely mechanical alignment (MA), does not preserve the constitutional limb anatomy but systematically creates a straight limb. Excellent long-term implant survivorship has been reported, but functional outcomes are disappointing. To solve this problem, an alternative technique for TKA, namely kinematic alignment (KA), has recently been promoted and aims at restoring the constitutional (pre-arthritic) knee anatomy and laxity. Mid-term outcomes have shown excellent functional outcomes with this new KA technique. However, KA technique is currently done with TKA implants designed to be mechanically inserted. Their trochlea design does not reproduce the native trochlear anatomy, which could lead to increased rate of patellar complications with KA TKA. This work aims at demonstrating technical limitations of MA technique, good reproducibility of KA technique, and inappropriateness of current implant to restore patient trochlea anatomy.

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

La conception des robots humanoïdes est un défi depuis plusieurs années. Les articulations de l'être humain de par leur complexité cinématique créent des mouvements difficilement reproductibles par un mécanisme. Le genou humain permet des mouvements composés de roulement et de glissement. La conception de nouvelles articulations bio-inspirées est un enjeu pour recréer avec un robot une marche anthropomorphe. Une analyse de la cinématique des genoux a été effectuée et nous proposons une solution mécanique pour reproduire cette cinématique de genoux. L'idée est de recréer un genou avec un contact roulant entre le fémur et le tibia. Les modèles géométriques, cinématiques et dynamiques et un modèle d'impact sont développés pour un robot bipède muni de ce genou à contacts roulants. L'allure de marche est étudiée sous forme d'un problème d'optimisation paramétrique sous contraintes. Les trajectoires de marche sont approximées par des fonctions mathématiques pour deux allures de marche : une allure de simple support avec impacts et une allure de double support suivi d'un simple support puis d'un impact. Des critères énergétiques permettent de comparer le robot muni du mécanisme de genoux roulants à un robot muni de genoux à liaison rotoïde. Les résultats des optimisations montrent que le genou roulant apporte une diminution du critère sthénique. L'optimisation énergétique montre que les couples articulaires sont plus faibles sur les hanches ce qui engendre une diminution de la masse des actionneurs du robot. Enfin, un gain d'énergie est possible en associant des systèmes à ressorts en parallèle sur les articulations du robot.

L'articulation du genou est sujette à de nombreuses pathologies pouvant entraîner des instabilités. Les démarches thérapeutiques incluent communément le port d'orthèses, dans le but de stabiliser ou limiter les mouvements articulaires. Malgré une forte prescription, l'évaluation de ces dispositifs manque encore de standardisation.En lien avec des médecins et des industriels, différents outils ont été développés pour évaluer leur efficacité biomécanique. Un modèle éléments finis d'un membre inférieur appareillé a notamment permis d'étudier l'effet de divers paramètres de conception d'une genouillère sur les pressions exercées et sur sa capacité à limiter un mouvement pathologique. Ce modèle a servi à valider un banc de test pouvant contribuer à l'innovation et la certification. Afin d'appréhender les problèmes de confort, le glissement des orthèses sur la peau a été caractérisé par des mesures de champ. Enfin, leurs actions in vivo ont été mesurées à l'aide d'un arthromètre sur des patients présentant une laxité.Les résultats mettent en évidence l'importance des caractéristiques techniques des orthèses et la spécificité du patient sur leurs niveaux d'action. Ainsi, il est possible de cibler des pathologies en jouant sur certains facteurs. Cependant, comparé aux structures de stabilisation passive (ligaments), le rôle des orthèses s'avère limité aux conditions de faibles sollicitations mécaniques. Néanmoins, leurs effets actifs et proprioceptifs (contrôle neuro-musculaire) seraient également à considérer.Ces outils s'avèrent complémentaires ; ils ouvrent la voie à des démarches d'évaluation standardisées et pourront également aider au développement de nouveaux produits.

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L'arthroplastie totale du genou (ATG) est le traitement de référence de l’ostéoarthrose sévère du genou. Cette procédure nécessite une chirurgie lourde qui induit de nombreux déficits qui persistent pendant plusieurs années. Par ailleurs, les prothèses ont une durée de vie limitée de par les contraintes chimiques et mécaniques se produisant dans l'environnement biologique. Nous avons testé en condition in vivo la biocompatibilité de quatre biomatériaux orthopédiques sous l’effet de l’application de neuro-myélectrostimulation et/ou d’une alimentation enrichie en sel. Nos résultats démontrent que ces deux éléments pourraient avoir un effet délétère pour l'ostéointégration, l'intégrité des implants et la viabilité des cellules musculaires environnantes. Une prothèse adaptée au genou du rat à été conçue afin d’étudier l’effet de l’ATG sur la récupération fonctionnelle et sur les mécanismes nerveux sous-jacents. Nos résultats démontrent que la gonarthrose n'engendre pas de déficits fonctionnels sévères. En revanche, le réflexe H est inhibé et les afférences musculaires de type III et IV sont désensibilisées. Les animaux ayant subi une ATG ont révélé des déficits fonctionnels importants qui tendait à récupérés avec le temps, mais aucune altération de la réponse des fibres afférentes III et IV n'a été observée et le réflexe H est maintenu. Ces résultats soulignent l'adaptation à la prothèse et la présence d'un phénomène de récupération et non d’une compensation. Grâce à notre approche expérimentale innovante, il est maintenant possible de tester in vivo, la biocompatibilité de nouveaux biomatériaux et/ou de nouveaux traitements qui n'ont pas encore d'application clinique. / Total knee arthroplasty (TKA) is the reference treatment for severe osteoarthritis of the knee. This procedure requires heavy surgery which induce many deficits that persist for several years. Moreover, the prostheses have a limited lifetime due to chemical and mechanical stresses occurring in the biological environment. We tested in vivo the effect of the application of neuro-myelectrostimulation and/or high-salt diet on the biocompatibility of four orthopedic biomaterials. Our results show that these two elements could have a deleterious effect on the osseointegration, the integrity of the implants and the viability of the surrounding muscle cells. A prosthesis adapted to knee rat was designed to evaluated the ATG on the functional recovery and on the underlying nervous mechanisms. Our results show that knee osteoarthritis does not cause severe functional deficits. However, H-reflex is inhibited and III and IV afferences are desensitized. Animals with TKA revealed significant functional deficits that tend to recover over time but no impairment of the response of the afferent fibers III and IV was observed and the H reflex was maintained. These results emphasize the adaptation to the prosthesis and the presence of a phenomenon of recovery and not of compensation. Thanks to our innovative experimental approach, it is now possible to test in vivo the biocompatibility of new biomaterials and / or new treatments that have not yet been applied clinically.

La rupture du ligament croisé antérieure (LCA) conduit à une instabilité et à des modifications biomécaniques du genou. Actuellement, les patients présentant une lésion du LCA bénéficient généralement une reconstruction du LCA. L'analyse cinématique quantitative est un outil important pour acquérir une compréhension approfondie de la fonction articulaire du genou normal et pathologique au cours de la locomotion humaine. Ce travail est axé sur l'évaluation in vivo de la cinématique du genou chez les patients avec rupture du LCA, avant et après la reconstruction du LCA au cours de toutes les phases de la marche, en utilisant un nouvel outil d'évaluation 3D, quasi-rigide, en temps réel (KneeKGTM). Dans la première étude, des modifications cinématiques significatives ont été identifiées dans les genoux avec une rupture du LCA. Ces changements cinématiques pourraient mener à des contacts fémoro-tibiaux anormaux du cartilage pendant les activités quotidiennes, représentant potentiellement un mécanisme biomécanique de l'usure des articulations après une lésion du LCA. Dans la seconde étude, l'analyse 3D in vivo du mouvement a révélé que les genoux avec LCA reconstruits améliorent significativement leur extension par rapport aux genoux avec LCA déficient, mais il y avait encore une différence par rapport au groupe témoin sain. Dans le plan axial, le tibia reste en position interne significative par rapport à un groupe témoin, tandis qu'il n'y avait pas de différences significatives en translation antéro-postérieur et dans le plan coronal. Ces changements cinématiques pourraient conduire à une charge anormale dans l'articulation du genou et initier le processus d'atteinte dégénérative cartilagineuse à venir. Toutefois, les données cinématiques post-opératoires ont été collectées 10 mois après la chirurgie, ainsi un suivi plus long serait nécessaire pour évaluer si ces changements cinématiques persistent dans le temps, et leurs effets sur l'articulation / Because of the role of the ACL in knee joint’s biomechanics, it is essential to quantify the kinematics of ACL deficient and ACL reconstructed knee. In-vitro models bare the handicap of limited muscle simulation, while static, one-dimensional testing cannot predict the behavior of these groups of patients under realistic loading conditions. Currently, the most widely accepted method for assessing joint movement patterns is gait analysis. Respectively, 3D motion analysis is necessary to provide high reliability movement analysis. The purpose of the study was in-vivo evaluation of the behavior of the anterior cruciate ligament deficient (ACLD) and anterior cruciate ligament reconstructed (ACLR) knees during walking, using 3D, real-time assessment tool. Significant alterations of joint kinematics in the ACLD knee were revealed in this study by manifesting a higher flexion gait strategy and excessive internal tibial rotation during walking that could result in a more rapid cartilage thinning throughout the knee. In the other hand, even though ACLR knees showed some improvements in sagittal plane compared to ACLD knees, in axial plane there still exists difference compared to healthy control knees. These kinematic changes could lead to abnormal loading in knee joint and initiate the process for future chondral degeneration. However, the post-operative kinematic data were collected 10 months after surgery, so a longer follow-up is needed to evaluate if these kinematic changes persist in time, and their effects in joint degeneration

Dans les pathologies ostéo-articulaires, les critères d’évaluation rapportés par les patients (Patient-Reported Outcomes ou PROs) sont désormais les critères de jugement incontournables, réclamés par les autorités sanitaires et les organismes de régulation. La validation de leurs propriétés psychométriques et leur adaptation transculturelle sont donc indispensables pour pouvoir les utiliser dans les essais thérapeutiques internationaux. Ce processus complexe de validation transculturelle permet d’élaborer une version du PRO dans le langage cible qui prenne en considération tous les spécificités socioculturelles et les équivalences linguistiques.Ce travail de thèse a comme problématique la validation transculturelle des PROs spécifiquement développés pour les pathologies du genou et de la hanche. Après avoir explicité les recommandations publiées dans ce domaine puis avoir réalisé une revue de la littérature de la qualité méthodologique des auto-questionnaires disponibles pour ces pathologies articulaires, nous avons entrepris les validations transculturelles du questionnaire KOOS (ou Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score), du questionnaire HOOS (ou Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score) et de leurs formes réduites (KOOS-PS et HOOS-PS pour Physical function Short form). Ces auto-questionnaires, développés en langue anglaise au cours de la dernière décennie, permettent d’évaluer de manière globale (symptômes, retentissement fonctionnel dans les activités quotidiennes et sportives, qualité de vie) des pathologies du genou ou de la hanche, aussi bien traumatiques que dégénératives. Après traduction et adaptation française selon les recommandations internationales, les versions françaises du KOOS, du HOOS, du KOOS-PS et du HOOS-PS ont ensuite été validées de manière prospective dans des cohortes françaises bi-centriques de patients arthrosiques suivis en milieu rhumatologique et orthopédique. Les résultats de ces travaux, publiés sous la forme de trois articles originaux, démontrent que les propriétés psychométriques des versions françaises de ces questionnaires sont satisfaisantes quelle que soit la sévérité de l’arthrose, en terme de faisabilité, de cohérence interne, de reproductibilité, de validité et de sensibilité au changement (après mise en place de prothèse totale ou viscosupplémentation par acide hyaluronique). Ces PROs capturent des concepts supplémentaires pertinents, comme le retentissement sur les activités sportives ou la qualité de vie, et permettent avec le même outil de mesure le suivi longitudinal de patients, depuis l’atteinte traumatique jusqu’à l’arthrose. Ils améliorent ainsi l’évaluation globale des pathologies du genou et de la hanche. La validation exhaustive, y compris transculturelle, permet à ce jour de considérer les questionnaires KOOS et le HOOS comme des PROS de référence. A ce titre, leur utilisation dans les essais thérapeutiques internationaux doit être encouragée. / In joint diseases, Patient-Reported Outcomes (PROs) are now critical outcome measures, required by health authorities and regulatory agencies. Cross-cultural adaptation and validation of the psychometric properties of such PROs are needed in order to use them in international therapeutic trials. Thanks to this complex process of cross-cultural validation, the PRO in the target language can take into account the specific socio-cultural features and the linguistic equivalences. The aim of this thesis was to undertake the cross-cultural validation of PROs specifically developed for knee and hip disorders. After explaining the published recommendations for cross-cultural adaptation and then conducting a thorough review of reports dealing with the methodological evaluation of self-administered questionnaires in these joint diseases, we carried out the cross-cultural validation of the KOOS questionnaire (Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score), the HOOS questionnaire (Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score) and their shortened versions (KOOS-PS and HOOS-PS for Physical function Short form). In the last ten years, these self-administered questionnaires were developed in English to assess the patients’ opinion (symptoms, functional disability in activities of daily life or sports activities, quality of life) about their knee and hip problems, both for traumatic and degenerative joint diseases. Following a translation and cross-cultural adaptation in French in accordance with international recommendations, the French versions of the KOOS, HOOS, KOOS-PS and HOO-PS were validated in a bi-centric prospective study of osteoarthritis patients treated in two rheumatology and orthopedics departments. The results of this work, published as three original articles, demonstrate that the psychometric properties of the French versions of these questionnaires are satisfactory in terms of feasibility, internal consistency, reliability, validity and responsiveness (following total hip or knee replacement or intra-articular injection of hyaluronic acid), whatever the degree of severity of osteoarthritis. By capturing additional relevant concepts such as functional disability in sports activities or quality of life and allowing the longitudinal follow-up of patients (from traumatic lesions to osteoarthritis), with the same measurement tool, theses PROs improve the overall assessment of hip and knee disorders. In the light of the exhaustive validation, including cross-cultural adaptation, the KOOS and HOOS questionnaires can now be considered as references PROs in hip and knee disorders and their use in international therapeutic trials should be encouraged.

La cryothérapie est utilisée de manière large et empirique à visée adjuvante dans les rhumatismes inflammatoires, avec un niveau de preuve faible. Dans une revue systématique de la littérature, en poolant les données de 6 études non contrôlées, nous avons pu démontrer que la cryothérapie (locale ou corps entier) appliquée deux fois par jour pendant 7 à 15 jours réduisait significativement l'EVA douleur et le score d'activité DAS25 dans la polyarthrite rhumatoïde. La cryothérapie locale (glace ou gaz froide) montrait par ailleurs des effets taille intra-classes supérieurs à ceux obtenus en utilisant la cryothérapie corps entier. L'objectif de ce travail était de mesurer les effets de la cryothérapie locale sur al douleur, l'inflammation synoviale et systémique chez les patients arthritiques et dans le modèle murin d'arthrite à l'adjuvant. Dans les études randomisées CDRI et ALGGAR, nous avons évalué les effets de deux applications locales de froid (glace versus gaz froid) sur la douleur, l'activité Doppler et les taux protéiques de cytokines intra-articulaires controlatéraux non souffrant d'arthrites de genou non septiques. Les genoux arthritiques controlatéraux non traités étaient utilisés comme contrôles. Nous avons par ailleurs étudié in vitro les effets de l'hypothermie modérée (30°C pendant 2heures) sur l'expression protéique des cytokines dans un modèle de culture de rotules de rats arthritiques. Nous avons enfin étudié in vitro dans l'arthrite à l'adjuvant les effets de l'application sub-chronique de glace ou de gaz froid (2 fois par jour pendant 14 jours versus contrôles arthritiques non traités) sur le score d'arthrite, le diamètre de cheville, la transcription des gènes codant pour les cytokines pro-inflammatoires dans les pattes arrières (Q-RT-PCR) et l'expression protéique des cytokines dans le plasma (Multiplex et ELISA) après 14 jours de traitement. Dans l'étude CDRI, la cryothérapie locale (glace et gaz froid) réduisait significativement l'EVA douleur ainsi que le score Doppler dans les genoux traités, ces effets persistant le lendemain des deux applications. Dans une analyse intermédiaire des résultats de l'étude ALGGAR, en combinant les deux groupes de traitement (glace et gaz de froid), nous avons observé une baisse des taux d'IL-6, d'IL-1β et de VEGF dans le liquide articulaire arès deux applications. dans les cultures d'explants de rotules de rats arthritiques, l'hypothermie ponctuelle réduisait significativement les taux d'IL-6, IL-17A et IL-1β dans les pattes arrières après 14 jours de traitement. Les deux modalités réduisaient significativement les niveaux plasmatiques d'IL-17A et la glace réduisait en outre les taux d'IL-6 et de VEGF. Nous n'avons observé aucun effet de la cryothérapie locale sur le voie du TNF-α chez l'homme ni chez l'animal. Nos résultats démontrent pour la première fois un effet thérapeutique et anti-inflammatoire de la cryothérapie locale dans l'arthrite. Les effets biologiques était IL-6/IL-147 dépendants et TNF-α indépendants. Des études complémentaires permettront de mieux caractériser les mécanismes moléculaires sous-jacents et de déterminer su la cryothérapie locale pourrait être une alternative aux AINS et corticoïdes dans les rhumatismes inflammatoires. / Cryotheapy i widely and empirically used in an adjuvant setting in inflammatory rheumatic diseases, with a low level of evidence. We performed a systematic review of the literature and, by pooling data from 6 non-controlled studies, we could show that local cryotherapy (local or whole-body cryotherapy) applaied twice a day for 7-15 days significantly reduced the pain VAS and the DAS28 activity score in rheumatoid arthritis. Furthermore, local cryotherapy (ice packs or cold gas) showed significantly greater intra)class effect-sizes compared to whole-body cryotherapy. The aim of this work was to measure the effects of local cryotherapy on pain, synovial and systemic inflammation in arthrici patients and in the murine model of adjuvant-induced arthritis. First, in the CDRI and ALGGAR randomized studies, we evaluated the effects of 2 local cold applications (ice versus cold gas) on pain, power Doppler activity and intra-joint cytokine protein levels in 46 patients suffering from non-septic knee arthritides. Contralateral arthritic knee were used as control. Secondly, we studied the in vitro effects of mild hypothermia (30°C for 2 hours) on cytokine protein expression in a model of cultured arthritic rat patellae. Thidly, we studied the in vitro effects of sub-chronically applied ice or cold gas (twice a day for 14 days versus non-treated arthritic controls) on the arthritis score, the ankle diameter, pro-inflammatory cytokine gene transcription levelsin hind paws (Q-RT-PCR) and cytokine plasma protein levelx (Multiplex and ELISA) after 14 days of treatment. In the CDRI study, local cryotherapy (ice and cold gas) significantly reduced the pain VAS and the power Doppler score in treated kness, and these effects remained significant the day afetr 2 cold applicaitions. In an intermediate analysis of the ALGGAR study results, by pooling the 2 treatment groups, we could show significant decreases in IL-6 protein, IL-1β and VEGF synovial fluid protein levels after 2 cold applicatios. In arthritic rat patella explangt culture experiments, punctual hypothermia significantly reduced IL-6 protein levels. In vivon ice was more efficient on the clinical parameters and better tolerated compared to cold gas. Both techniques significantly reduced IL-6, IL-17A ans IL-1β gene transcription levels in hind paws after 14 days of treatment. Both techniques redcued IL-17A plasma protein levles, while ice also reduced IL-6 and VEGF plasma protein levels. Conversely, we observed no effect of local cryotherapy on the TNF-α pathway, neither in patients nor in our animal model. Here we demonstrate for the first time therapeutic and anti-inflammatory effet-cts of local cryothepary in arthritis. The biological effects were IL-6/IL-17-driven and TNF-α independent. Further studies will help elucidate the underlying molecular mlechanisms involved and detemrine whether local cryotherapy might be a safer alternative to NSAIDs ans corticosteroids in inflammatory rheumatic diseases.

L’objectif de cette recherche est de développer un algorithme de segmentation du cartilage du genou à partir des images IRM en façon automatique et robuste. Cette recherche est réalisée en collaboration avec Laboratoire BodyCad. Le but final de cette étude est de permettre à l’entreprise de générer des prothèses du genou personnalisées. L’algorithme développé dans cette étude sera utilisé pour planification des chirurgies médicales de genou, donc la précision et la fiabilité de l’algorithme sont des points critiques. Afin de mieux comprendre les algorithmes existants de segmentation médicale, nous avons fait une évaluation de la littérature de ce domaine. Nous présentons une revue brève des recherches touchant le domaine de la segmentation des images médicales. L’algorithme proposé dans cette étude est implémenté en deux versions : la version primaire et la version étendue. Dans la version primaire, la segmentation est effectuée basée sur les informations extraites à partir d’une image IRM, tandis que la version étendue de notre algorithme extrait les informations de deux images IRM simultanément. Les résultats obtenus en utilisant trois ensembles distincts d’images IRM se présentent et se comparent dans la section de conclusion. La comparaison montre que l’algorithme a la capacité de produire les résultats de grande qualité. / The objective of this research is to develop a robust automatic algorithm for segmentation of the knee cartilage from MRI images. This research is carried out in collaboration with BodyCad Laboratories. The ultimate goal of this study is to allow the company to generate personalized knee prostheses. The algorithm developed in this study will be used in medical knee surgery planning, so the precision and reliability of the algorithm are of crucial importance. In order to achieve a better understanding of the existing algorithms in the field of medical segmentations, we performed a profound review of the literature in this field. We present a brief review of these studies in the literature review section. The algorithm proposed in this study is implemented in two versions: the primary version and the extended version. In the primary version, segmentation is performed based on information extracted from an MRI image, while the extended version of our algorithm extracts information from two MRI images simultaneously. The results obtained using three distinct sets of MRI images are presented in the results section and a comparison is drawn in the conclusion section of this document. This comparison shows that the algorithm has the ability to produce high quality results.