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

Les fractures de l'extrémité supérieure du fémur représentent un problème de santé publique. 90% des fractures du col fémoral résultent d'une chute du sujet sur la hanche. Pour étudier le rôle des muscles, une modélisation préliminaire en éléments finis de la hanche incluant ses tissus mous est proposée dans cette thèse. Cette modélisation a nécessité la mise au point d'une méthode originale de reconstruction des volumes musculaires et de quantification du tissu musculaire à partir d'un nombre réduit de coupes CT-scan. La méthode s'appuie sur une déformation sous contrainte d'un modèle paramétré pré-personnalisé de chaque muscle. Avec seulement quatre coupes par muscle, l'erreur d'estimation du volume est alors inférieure à 6% en comparant avec le volume reconstruit entièrement manuellement. L'étude de 98 sujets a alors permis d'établir les valeurs de références et la variabilité inter-individuelle pour ces données quantitatives et a également mis en évidence des invariants. La modélisation en éléments finis intègre les structures osseuses et les tissus mous, avec une gestion des contacts de surface entre les composants. Les lois matériaux utilisées pour les tissus mous sont de type hyperélastique incompressible isotrope. Les premières évaluations de ce modèle, soumis à une compression latérale en quasi-statique, ont permis de vérifier la cohérence du comportement du modèle pour dix sujets et de mettre en relief l'importance d'une modélisation personnalisée.

Avec le vieillissement de la population, la pose de prothèses totales de hanche est devenue une opération courante. Pourtant, des complications peuvent avoir lieu, entrainant des luxations précoces. L'analyse fonctionnelle et tridimensionnelle (3D) de la hanche devient donc un enjeu clinique important. Des méthodes de reconstruction 3D du fémur proximal et du bassin ont été développées in vitro, sur des os isolés. Le but de cette recherche est l'analyse tridimensionnelle quantitative de l'articulation de la hanche in vivo. Le système EOS® a été utilisé pour obtenir deux radiographies face et profil en position debout, avec une très faible irradiation. La difficulté principale pour la reconstruction de la hanche in vivo est liée à la superposition des structures osseuses sur la vue de profil. Afin de lever ce verrou scientifique, des méthodes basées sur la déformation d'objets paramétriques pré-personnalisés, obtenus à partir d'une base de données, ont été développées afin d'obtenir un outil précis et reproductible de reconstruction. Cette méthodologie a été développée pour le fémur proximal et pour le bassin. La reproductibilité inter-opérateurs obtenues est de 2,2 mm et de 2,6 mm (2 écart-types) pour respectivement le fémur proximal et le bassin. Ces méthodes ont également été utilisées pour l'analyse de patients nécessitant la pose ou la reprise d'une prothèse totale de hanche. Des stéréoradiographies en positions debout, assis et accroupi ont été réalisées. Un ensemble de paramètres positionnels et morphologiques ont été évalués. Des différences statistiquement significatives ont été remarquées entre les patients avant chirurgie et un groupe de sujets contrôle, notamment pour la position du bassin. Ces recherches ont permis la réalisation d'un outil d'analyse de la hanche in vivo. Elles ont également souligné le potentiel du système EOS® pour l'analyse quantitative fonctionnelle et tridimensionnelle de l'articulation de la hanche saine et prothésée.

Les arthroplasties totales de hanche à double mobilité sont utilisées en clinique humaine à Saint Etienne depuis près de 30 ans. Ce type d'implants a connu un intérêt croissant au cours de la dernière décennie grâce à sa grande stabilité. Dans un premier temps, nous rapportons l'historique de ces implants à double mobilité. Nous effectuons ensuite une analyse du mouvement au niveau de l'articulation de la hanche, afin de caractériser les amplitudes de mouvement utiles qui permettent d'effectuer les mouvements requis par les activités de la vie courante et nous comparons ces données aux amplitudes de mouvement que l'on peut attendre de différents modèles d'arthroplasties totales de hanche, y compris les arthroplasties totales de hanche à double mobilité. Nous analysons également la stabilité que confère ce type d'implant en développant la notion de distance de séparation avant que ne survienne une luxation. A partir des données de la littérature, nous rapportons les situations cliniques pour lesquelles le risque de luxation est accru. La survie des arthroplasties totales de hanche à double mobilité est rapportée à partir d'une série d'implants suivis longitudinalement. A 10 ans, 95 % d'une série de 106 implants étaient toujours en fonctionnement. L'usure a pu être déterminée à partir de 40 inserts en polyéthylène explantés. Ces inserts à double mobilité ne présentaient pas une usure supérieure, qu'il s'agisse de l'usure linéaire ou de l'usure volumétrique, lorsqu'on les comparait aux données d'autres séries avec couple métal polyéthylène. Si l'usure linéaire de la surface convexe était particulièrement faible, elle avoisinait l'usure de la surface interne concave lorsqu'on la rapportait au volume. Les implants explantés lors de reprises chirurgicales ont pu faire l'objet d'une analyse à la recherche de complications mécaniques. Des différences ont été observées quant aux double mobilité. La luxation intra-prothétique est une complication spécifique de ce type d'implants. Ses données démographiques ont pu être appréciées à partir de 63 cas sur une période de 12 ans. Le couple de frottement au niveau de la surface convexe a été analysé sur un bac d'essai en fonction du matériau de la cupule métallique. Ce couple de frottement était inférieur pour l'acier inoxydable forgé comparé à un alliage de chrome cobalt coulé. Pour de faibles amplitudes de mouvement, il n'a pas été possible de mettre en évidence expérimentalement un quelconque effet protecteur de la présence de deux niveaux de mobilité sur les contraintes en cisaillement à l'interface os cupule. La présence d'un degré de mobilité externe, même si le couple de friction y est supérieur à la zone de mobilité interne, permet de protéger l'ancrage dans une certaine mesure lorsque la mobilité interne fonctionne mal.

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.

L’arthrose est un véritable problème de santé publique. Plus de dix millions de personnes sont atteintes en France et 35 millions aux États-Unis. L’arthrose du genou représente 35% du nombre total d’arthrose avec plus de 1,3 million de patients en Europe. Il existe de nos jours plusieurs solutions permettant de traiter l’arthrose du genou, suivant le caractère dégénératif de la maladie, allant du traitement chirurgical conservateur, tel que l’ostéotomie supérieure du tibia, jusqu’au traitement chirurgical prothétique, tel que l’arthroplastie totale du genou. Le succès à long terme de ces interventions repose (1) sur le contrôle de l’alignement du membre inférieur au cours de l’intervention, réalisé par l’intermédiaire de l’angle HKA entre les centres hanche, genou et cheville, et (2) sur une planification chirurgicale permettant de préparer l’intervention, et notamment, définir la position optimale des coupes osseuses pour la mise en place d’une prothèse à partir de modèles 3D de l’os du patient issus d’images tomodensitométriques (TDM) ou IRM. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l’étude et l’évaluation, dans un contexte clinique, de la précision et la robustesse des techniques utilisées en chirurgie assistée par ordinateur pour la localisation du centre hanche, nécessaire au calcul de l’angle HKA. Nous avons ainsi proposé une nouvelle méthode, mini-invasive, et particulièrement adaptée pour l’ostéotomie supérieure du tibia. Nous nous sommes ensuite intéressés aux méthodes de segmentation permettant d’extraire la surface osseuse du genou à partir d’IRM pour la phase de planification. Nous avons également proposé une nouvelle approche, automatique, qui se base sur des modèles actifs de forme ou Active Shape Model (ASM). Compte tenu des résultats très encourageants, l’intégration de nos contributions en routine clinique pourrait, potentiellement, améliorer le service médical rendu pour le traitement de l’arthrose du genou. / Osteoarthritis is a real public health problem. More than ten million people are affected by osteoarthritis in France and 35 million in the United States. Knee Osteoarthritis represents 35% of the total number of osteoarthritis with more than 1.3 million patients in Europe. Today, there are several solutions to treat knee osteoarthritis depending on the degenerative nature of the disease : from conservative surgical treatment, such as High tibia Osteotomy (HTO), to prosthetic surgical treatment, such as Total Knee arthroplasty (TKA). The long-term success of these interventions is (1) the control of the lower limb alignment, during the intervention, which can be obtained by measuring the HKA angle between the hip, the knee and the ankle centers, and (2) the surgical planning allowing the preparation of the intervention, and for instance, the definition of the optimal cuts for the placement of a knee prosthesis based on the 3D model of the patient bone obtained from computerized tomography (CT) or MRI. We were interested, first, in the study and evaluation, in a clinical context, of the accuracy and precision of the methods used in computer-assisted orthopedic surgery for the localization of the hip center. We have thus proposed a new minimally invasive method especially adapted to HTO. We were interested, then, to the segmentation methods allowing the extraction of the knee bony surface from MRI for the surgical planning. We have also proposed a new automatic approach based on active shape models (ASM). Given the very encouraging results, the integration of our contributions in the clinical routine could, potentially, improve the medical benefits for the treatment of knee osteoarthritis.

Ce travail porte sur le comportement mécanique de la cupule acétabulaire de prothèse de hanche dans le milieu osseux. Un intérêt particulier est porté au développement d'une méthode d'analyse de signaux d'impacts visant à caractériser les propriétés biomécaniques de l'interface entre la cupule acétabulaire et l'os périacétabulaire. Dans un premier temps, l'insertion de la cupule par impacts reproductibles est étudiée expérimentalement. Il est démontré que les signaux de force des impacts sont sensibles aux conditions d'insertion de l'implant acétabulaire. Un modèle analytique empirique considérant une configuration poinçon plat est utilisé pour modéliser les conditions de contact entre l'os et l'implant. La stabilité de l'implant acétabulaire est ensuite évaluée dans différentes configurations osseuses. Une analyse des signaux d'impact permet d'estimer cette stabilité. Dans un deuxième temps, un marteau est instrumenté avec un capteur de force et utilisé pour enregistrer les signaux de force des impacts. La méthode d'analyse des signaux est adaptée et permet d'évaluer la stabilité primaire de l'implant acétabulaire. Pour permettre le transfert de l'approche vers une application clinique, une étude cadavérique est ensuite réalisée. Il est montré que la méthode est utile pour prévoir la stabilité primaire de la cupule acétabulaire dans des hanches cadavériques. Le troisième volet de cette thèse est composé d'études de simulation numérique pour mieux comprendre le comportement mécanique de la cupule acétabulaire. Un modèle est développé pour investiguer les procédés dynamiques ayant lieu lors de l'impaction de la cupule acétabulaire et pour estimer le potentiel de la méthode d'analyse d'impacts pour déterminer les conditions d'insertion de la cupule acétabulaire. Différentes conditions d'interférence et différentes vitesses d'impaction sont considérées. Il est montré que les signaux d'impacts sont sensibles à surface de contact entre l'os et l'implant. Un second modèle étudie l'influence des propriétés mécaniques de l'os périacétabulaire au comportement mécanique de la cupule / While hip arthroplasty has become a common surgical procedure, failures still happen due to inadequate mechanical behavior of the prosthesis. This work studies the behavior of the acetabular cup (AC) implant within bone tissue and develops an impact analysis method to assess its insertion conditions. In the first part, AC insertion within bovine bone tissue are performed using reproducible mass drops. The impact force signals are recorded and are shown to be sensitive to insertion conditions of the AC implant. An empirical analytical model considering a flat punch configuration to model the bone-implant contact conditions is used to understand the variations of the signals. The AC implant tangential stability is further evaluated for different bone cavity configurations. An impact signals analysis enables to assess the AC implant primary stability in vitro. In the second part, a hammeris instrumented with a force sensor and is used to record the impacts force signals. The impact signals analysis allows to evaluate the AC implant stability. In order to transfer the approach to a situation closer to the clinical application, tests are then realized with cadaveric hips. The method is found useful to predict the AC implant stability ex vivo. In the third part, finite element models are developed to improve the understanding of the AC implant mechanical behavior within bone tissue. A model investigates the dynamic processes occurring during the AC implant impaction. The impact signals analysis allows to evaluate the bone implant contact area. A second model studies the influence of the peri-implant anisotropic bone mechanical properties on the mechanical behavior of the AC implant. By coupling experimental and numerical approaches, this work provides new features concerning the mechanical processes responsible for the AC implant stability. Moreover, the feasibility of a medical device that could assess peroperatively the AC implant stability is proved

Le nombre de prothèses totales de hanche (PTH) posées en France est en forte augmentation en France depuis plusieurs années : +10% en 4 ans, avec plus de 100 000 poses en 2013. Cette augmentation est liée à la fois au vieillissement de la population et à l’élargissement de la patientèle implantée : les PTH sont posées chez des patients plus jeunes et actifs, et à l’autre extrême, chez des patients de plus en plus âgés, présentant davantage de comorbidités Le volume de pose de PTH, leurs caractéristiques, leur contexte de pose et la population implantée n’ont pas encore été décrits de manière exhaustive en France, contrairement aux pays disposant de registre d’arthroplastie (les pays nordiques et anglo-saxons). L'objectif de ma thèse était d'étudier quels sont les facteurs pronostics de la survie des PTH. La recherche portait sur les caractéristiques des implants, les caractéristiques des patients et les caractéristiques des séjours d’implantation. Les bases de données utilisées sont celles du SNIIRAM de 2006 à 2016, comprenant les remboursements de soins en ville (de 2006 à 2016) et à l’hôpital (de 2006 à 2015) des assurés affiliés à un régime obligatoire de l’assurance maladie. Environ 100 000 PTH sont implantées chaque année en France. La cohorte globale des patients porteurs de prothèse de hanche, implantée de 2006 à 2014 comprend environ un million de patients. Les études de cette thèse ont été conduites sur des cohortes de 100 000 à 300 000 patients, inclus de 2009 à 2012 et suivis jusqu’en 2013 à 2014.Ces études indiquent que les caractéristiques prothétiques, couple de frottement, mode d’ancrage, choix d’un col modulaire, sont associés à la survie de la PTH à court et moyen terme. Il en est de même pour les caractéristiques des patients, âge, sexe, diabète, ainsi que l’exposition à certains médicaments, dont les benzodiazépines. Les caractéristiques du centre dans lequel est implantée la prothèse, en particulier le volume d’activité du chirurgien implanteur, sont associées à la survie prothétique.L’utilisation des bases de données du PMSI permet une surveillance active des PTH et ont permis d’identifier à court terme certains facteurs de risque d’échec de la prothèse. Environ 100 000 patients sont implantés par PTH en France chaque année. La révision prothétique est une intervention à risques, avec des taux de complications per et post-opératoires plus élevés que pour la primo-implantation. Mieux comprendre les facteurs liés à l’échec de la PTH et agir en faveur de la survie prothétique sont donc des enjeux de santé publique. Nos travaux ont pour finalité de faire évoluer les pratiques et encourager les choix techniques les plus favorables pour la survie prothétique, de manière à contribuer à l’amélioration de la santé des patients. / More and more Total Hip Replacement (THR) are performed in France (PTH) these last decades ; a 10% increase in 4 years has been observed, with 100 000 implantations on 2013.This increase can is related to the ageing of the population as well as the expansion of the implanted population: on one side younger and more active patients are now implanted, and on the other side, older patients (more than 80), often with other comorbidities, are now implanted.Le number of implanted THR, their characteristics, the context of implantation et the characteristics of the implanted population in France have never been comprehensively described so far. Some data are available from international registries (from Nordic, British, North American coutries and Australia), but not in France. The aim of my PhD was to study which factors were associated with the THR survivorship. My research covered the characteristics of the implants, of the patients and of the implanting centers.The data we used were from the French National Health Insurance Information System, SNIIRAM (Système National d'Information Inter-Régimes de l'Assurance Maladie) from 2006 to 2016. About 100 000 THR are implanted annually in France; the total cohort of THR implanted patients between 2006 and 2014 comprises about a million subjects. The cohorts studied in my work comprises between 100 000 and 300 000 patients, included between 2009 and 2012 and followed until 2013 to 2014.These cohorts studies showed that the implants characteristics, bearing surface, cementation, choice of a modular neck are associated with the prosthetic survivorship at short and midterm follow-up. We found the same with the patients characteristics, age, sex, diabetes mellitus as well as exposure to drugs such as benzodiazepines. The characteristics if the implanting center are also associated to the prosthetic survivorship, more specifically the volume of activity of the surgeon who performed the hip arthroplasty.The PMSI data are a valuable tool to perform an active surveillance of THR survivorship and using them allowed us to identify several risk factors of revision at short to midterm follow-up. About 100 000 patients receive a THR annually in France and THR revision is a surgical operation far more complicated than primary implantation, with higher complications rate during and post-operation. Being able to identifiy the factors associated with THR revision and being able to take the measures improving the THR survivorship are indeed a major Public health challenges. Our work' purpose is to assess the current practices and to provide evidences to promote technical choices propitious to THR survivorship, to contribute to health quality improvement.

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

La révision d’arthroplastie de la hanche en cas d’important déficit osseux acétabulaire peut être difficile. Les reconstructions avec cupule de très grand diamètre ou cupule « jumbo » (≥ 62 mm chez la femme et ≥ 66 mm chez l’homme) sont une option thérapeutique. Nous voulions évaluer la préservation et la restauration du centre de rotation de la hanche reconstruite en la comparant au coté controlatéral sain ou selon les critères de Pierchon et al. Nous voulions également évaluer la stabilité du montage à un suivi d’au moins 2 ans. Il s’agissait de 53 cas consécutifs de révision acétabulaire pour descellement non septique avec implantation d’une cupule jumbo sans ciment à l’Hôpital Maisonneuve-Rosemont. Le déficit osseux évalué selon la classification de Paprosky et al. Les cupules implantées avaient un diamètre moyen de 66 mm (62-81) chez les femmes et 68 mm (66-75) chez les hommes. L’allogreffe osseuse morcelée et massive était utilisée dans 34 et dans 14 cas respectivement. La cupule a été positionnée avec un angle d’inclinaison moyen de 41.3° (26.0-53.0). Le centre de rotation de la hanche reconstruite a été jugé satisfaisant dans 78% de cas sur l'axe médiolatéral, 71% sur l'axe craniopodal et amélioré dans 27% dans cet axe. Au recul moyen radiologique de 84.0 mois (24.0-236.4) et clinique de 91.8 mois (24.0 – 241.8): 6 cas étaient décédés, 3 perdus au suivi. On a observé le descellement radiologique dans un 1 cas, la luxation récidivante dans 5 cas et l’infection dans 4 cas. Le retrait de la cupule a été effectué dans 2 cas pour infection. L’ostéointégration des greffons osseux était complète dans tous les cas sauf 3. Les scores cliniques étaient pour le HHS de 82 +/-17, le WOMAC de 86 +/- 14 et le SF-12 physique de 46 +/- 12 et mental 53 +/-13. La cupule jumbo peut être considérée comme un moyen fiable pour gérer le déficit osseux dans les révisions acétabulaires. Elle permet de conserver ou d’améliorer la position du centre de rotation physiologique de la hanche. La fixation sans ciment favorise l’ostéointégration de la cupule et permet une stabilité à moyen terme. Le taux de complications est comparable ou inférieur à d'autres procédures de reconstruction. / Acetabular implant revision with large bone defects, can be challenging. One of the reconstruction options is a large outer diameter cup or “jumbo cup” (≥62 mm in women and ≥66 mm in men). We hypothesized that cementless jumbo cups is a reliable technique to preserve or reconstruct hip center of rotation. We also evaluated stability at least 2 two years follow up. Fifty-three consecutive non septic loosening acetabular arthroplasty revisions at Hopital Maisonneuve-Rosemont where a cementless jumbo cup was used were assessed. Bone defect was evaluated according to Paprosky classification. Mean implanted component size was 66 mm (62-81) in women and 68 mm (66-75) in men. Cancelous bone chips allograft was used in 34 cases and bulk bone allograft in 14. Immediate postoperative AP view showed a mean abduction cup angle of 41.3° (26.0-53.0). Hip centre were found at satisfy position in 78% on mediolateral axis, in 71% on craniopodal axis and it was improved in 27% in this late axis. At the mean follow up of 84.0 months (24.0-236.4) radiologically and 91.8 months (24.0-241.8) clinically: 6 patients were died and 3 were lost of follow up. Complications were: dislocation in 5 cases (4 revisions with constrained liner), infection in 4 cases (2 treated conservatively and 2 revised in 2 times procedure) and radiographic loosening in 1 case. Bone graft integration was completed in all except in 3 cases. Clinically, the mean HHS was 82% +/- 17, WOMAC 86 +/- 14, physical SF-12 46 +/- 12 and mentally SF-12 53 +/- 13. Jumbo cups appear as a reliable procedure to manage bone loss in acetabular revision. It allows conservation or improvement of physiologic hip center. Also, cementless fixation promote bone integration. with subsequent cup stabilitity. The complication rate is comparable or may be less than others reconstruction procedures .