L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer les bénéfices thérapeutiques d’un entraînement par imagerie motrice chez les patients ayant subi une prothèse totale de genou unilatérale. Combiner l’imagerie motrice avec la physiothérapie classique a permis de diminuer la douleur et d’augmenter la force du quadriceps durant la phase aiguë, au 1er mois postopératoire. Durant la phase chronique, au 6ème mois postopératoire, l’imagerie motrice permettrait de corriger l’asymétrie de la marche, d’une part en augmentant la force du quadriceps ipsilatéral et, par conséquent, en accentuant la charge sur le genou opéré, et d’autre part en augmentant la flexion maximale du genou durant la phase oscillante. L’imagerie motrice pourrait également aider les personnes âgées après la prothèse totale du genou à monter les escaliers plus rapidement, en toute sécurité. Cela peut atténuer le risque de chute dans les escaliers et, par conséquent, diminuer la fréquence des blessures graves. En conclusion, intégrer l’imagerie motrice dans les programmes de rééducation après prothèse totale du genou primaire unilatérale est pertinent et prometteur / The primary aim of the present work was to determine the therapeutic benefits of a specific motor imagery training. Combining motor imagery with classical physical therapy was found to be effective in reducing pain and increasing quadriceps strength after total knee arthroplasty during the acute phase at the first month postoperatively. During the chronic phase, at the 6th month postoperatively, motor imagery might contribute to correct the asymmetry of gait by increasing the strength of the ipsilateral quadriceps and, consequently accentuating the weight loading on the operated knee, as well as by improving knee proprioception through an increase in the maximum knee flexion during the swing phase. MI might also help elderly people after total knee arthroplasty to climb stairs more quickly, easily, and safely. This could attenuate the risk of falls on stairs, and consequently decrease the frequency of major injuries. In summary, the integration of motor imagery in clinical rehabilitation programs after primary unilateral total knee arthroplasty is relevant and promising

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.

Le but de cette thèse était d'étudier, in vivo, la cinématique en 3D du genou lors de la marche sur des patients souffrant d'arthrose du genou et de quantifier l'apport de l'arthroplastie totale du genou (PTG) sur la restauration d'une cinématique normale. Trente patients et un groupe de contrôle composé de 12 participants du même âge ont été inclus dans la première étude. Sur ces 30 patients, nous avons obtenu des évaluations de suivi après l'arthroplastie totale du genou sur 20 patients, avec un délai moyen de 11 mois. L'analyse cinématique tridimensionnelle du genou a été réalisée en utilisant le système KneeKGTM. Cette analyse de la marche a révélé que la cinématique de genou avec arthrose médiale diffère de la cinématique du genou sain. Le groupe avec arthrose du genou montrait une stratégie de raidissement de la marche en présentant une réduction de mouvement non seulement dans le plan sagittal, mais aussi dans le plan axial. Après PTG, les patients avaient de meilleurs paramètres cliniques, spatio-temporels et cinématiques. Malgré les améliorations, la cinématique du genou lors de la marche dans le groupe PTG différaient de celle du groupe contrôle / Patients with knee osteoarthritis tend to modify spatial and temporal parameters during walking to reduce the pain. There are common gait features which are consistently shown to be significantly linked to osteoarthritis severity such as knee adduction moment, knee flexion angle, stiffness and walking speed. Total knee arthroplasty (TKA) is considered the gold standard treatment for end-stage knee osteoarthritis. Nearly a million of total knee prosthesis are implanted worldwide each year. However, reduced physical function of the knee is partly, but apparently not fully, remedied by surgery. The purpose of this thesis was to investigate the in vivo, three dimensional knee kinematics during gait at the patients with knee osteoarthritis and the influence of total knee arthroplasty on restoration of normal kinematics. Weight bearing kinematics in medial OA knees differ from normal knee kinematics. Knee OA group showed an altered “screw-home” mechanism by decreased excursion in sagittal and axial tibial rotation and a posterior translation of the tibia. Following TKA, patients had better clinical, spatiotemporal and kinametic parameters. They walked longer, faster and with a better range of motion. Despite improvements, the knee kinematics during gait in TKA group differed from healthy control group. They had a lower extension, lower range of axial rotation and an increased tibial posterior translation. Future research should be focused on comparing different designs of prosthesis pre- and post operatively in a longer follow-up delay

Différents dessins d’implants de prothèse totale de genou (PTG) sont utilisés en pratique clinique et chacun présente des caractéristiques biomécaniques spécifiques. Aucun implant n’a réussi à ce jour à reproduire parfaitement la biomécanique du genou naturel. Les objectifs de cette étude sont de comparer les résultats cliniques et biomécaniques tridimensionnels (3D) de deux types de PTG chez le même patient, puis de comparer la cinématique des PTG à celle d’un groupe de genoux asymptomatiques. Une cohorte de quinze patients avec un implant traditionnel dans un genou et un implant de nouvelle génération permettant un pivot dans le genou contralatéral a été étudiée. Le groupe contrôle était composé de trente-cinq genoux asymptomatiques. L’analyse de la cinématique 3D a été réalisée avec l’outil KneeKG (Emovi Inc. Canada) lors de la marche sur tapis roulant. L’évaluation clinique comprenait l’amplitude de mouvement ainsi que les questionnaires de perception articulaire, KOOS, Womac et SF-12. La comparaison de la cinématique des deux types de PTG a démontré quelques différences statistiquement significatives dans les plans sagittal et frontal alors que la comparaison des PTG et des genoux asymptomatiques a révélé plusieurs différences significatives dans les trois plans. Les scores cliniques des deux PTG ne comportaient pas de différence significative. Dans notre cohorte de patients, le design de l’implant a eu peu d’influence sur les résultats biomécaniques et cliniques. Les PTG n’ont pas reproduit une cinématique normale de genou. Beaucoup de travail et de recherche dans le développement de nouveaux implants sont encore nécessaires afin d’améliorer les résultats cliniques et de mieux reproduire la cinématique du genou naturel. / Various implants of total knee arthroplasty (TKA) are used in clinical practice and each presents specific biomechanical characteristics. No implant managed this day to reproduce perfectly the biomechanics of the natural knee. The objectives of this study are to compare the clinical and tridimensional (3D) biomechanical data of two different designs of TKA on the same patients and to compare the resulting 3D biomechanical data with those of asymptomatic knees. A cohort of fifteen patients with a traditional implant in one knee and an implant of new generation allowing a pivot in the contralateral knee was studied. The control group was composed of thirty-five asymptomatic knees. Assessment of 3D knee kinematics analysis was realized with the KneeKG (Emovi Inc. Canada) during treadmill gait. Clinical evaluation included range of motion as well as questionnaires of joint perception, KOOS, Womac and SF-12. Results showed some statistically significant differences in knee 3D kinematics of both TKAs in sagittal and frontal planes while comparison between TKAs and asymptomatic knees revealed several significant differences in all three planes. Clinical scores of both TKAs did not have significant difference. In our cohort of patients, TKA implant design had few measurable influences on kinematics during gait and on clinical results. TKA with these implants did not reproduce natural knee kinematics during gait. Significant research and development in new TKA designs are needed to improve clinical scores and reproduce natural knee kinematics.

La prothèse totale du genou (PTG) est une chirurgie couramment pratiquée pour traiter les patients souffrant d’arthrose sévère du genou. Bien que cette technique chirurgicale soit efficace pour diminuer la douleur, améliorer la fonction du genou et rentable d’un point de vue socio-économique, un pourcentage non négligeable de patients n’est pas satisfait suite à la chirurgie, principalement due à une douleur persistante ou due à une perception d’avoir une mauvaise fonction articulaire, sans cause identifiée. Cependant, l’impact de cette chirurgie sur la cinématique tridimensionnelle (3D) du genou demeure mal compris. Dans le but de mieux comprendre pourquoi certains patients ressentent toujours de la douleur suite à cette chirurgie, cette étude analysera, dans un premier temps, l’effet prospectif de la chirurgie sur la cinématique 3D du genou. Puis dans un second temps, comparera la cinématique 3D de sujet souffrant de douleur à celle de sujets asymptomatiques suite à la prothèse. Pour parvenir à ces deux objectifs, deux études distinctes ont été entreprises. Une première étude prospective a porté sur l’évolution de la cinématique 3D du genou d’un groupe de 19 sujets, recrutés sur la liste d’attente pour prothèse totale du genou de deux chirurgiens du CHUM, hôpital Notre-Dame, puis la cinématique a été comparée avec un groupe contrôle de 17 sujets avec des genoux sains. Une seconde étude a comparé la cinématique 3D de 20 sujets souffrant de douleur post-PTG avec 20 sujets avec des genoux asymptomatiques suite à leur chirurgie. La première étude a permis de montrer que la cinématique dans le plan frontal suite à la prothèse totale du genou était corrigée vers celle des sujets sains. Contrairement à celle mesurée dans les autres plans (sagittal et axial) qui, malgré de petites corrections, demeure différente de la cinématique des sujets sains. La seconde étude a permis d’identifier un marqueur biomécanique de la douleur chez les sujets souffrant de douleur post-PTG. Effectivement, contrairement aux sujets asymptomatiques, suite à leur chirurgie, les patients souffrants de douleur marchent avec une contracture en flexion plus importante tout au long de la phase d’appui. Les résultats de ces deux études tendent à montrer que la prothèse totale du genou modifie la cinématique 3D du genou, sans toutefois redevenir semblable à celle d’un genou normal. De plus, certains marqueurs biomécaniques peuvent être associés à de la douleur suite à la chirurgie. Une meilleure compréhension de l’impact de la PTG sur la cinématique 3D du genou permettra d’offrir de meilleurs traitements en préparation et après la chirurgie et pourrait mener à de nouveaux designs de prothèses. / The total knee arthroplasty (TKA) is a common procedure in patients with severe knee osteoarthritis. This surgery has been proved to reduce pain, to improve knee function, and to be cost-effective. However, an important proportion of patients report insatisfaction, pain, and low articular function following the surgery. Moreover, even with this problem, the impact of the TKA on the tridimensional (3D) kinematics is not well understood. Therefore, two studies have been undertaken with the purpose of using the 3D kinematics to understand the post-TKA pain syndrome. During the first study, 19 subjects, recruited on a TKA waiting list of two surgeons of the CHUM, Hôpital Notre-Dame, were prospectively followed to measure the evolution of their 3D knee kinematics. A control group of 17 subjects with normal knees has also been recruited. The second study has compared 20 subjects with knee pain post-TKA with 20 subjects without pain post-TKA. The results of the first study tend to show an improvement in the frontal plan kinematics after the TKA toward the control group. However, the kinematics in the others plans still different of the control group. When the 3D kinematics of a group with pain is compared to a group without pain (second study), a biomechanical marker associated with pain was identified. The group with pain walk with a higher flexion contracture during the stance phase than the group without pain. Those results show that the total knee arthroplasty has an impact on the 3D kinematics; however, this impact is not necessarily toward the control group. Moreover, some biomechanical markers can be associated with the knee pain following the TKA. This show that we still doesn’t really understand the impact of the TKA on the kinematics, and that a better understanding of this impact could allow the surgeons to improve their care to their patients before and after the surgery.

Introduction : L’influence de l’Index de Masse Corporelle (IMC) sur la récupération des paramètres de la marche après prothèse totale de hanche (PTH) et de genou (PTG) est méconnue. Peu d' étude se sont intéressées à l'influence de l’IMC sur la récupération des amplitudes articulaires actives à la marche (AAA) ou de la vitesse de marche après PTH et PTG. Notre objectif était d’évaluer cet impact en préopératoire et en post-opératoire par une évaluation clinique et biomécanique. Notre hypothèse était que l’obésité (IMC>30kg/m2) serait un facteur péjoratif de récupération des paramètres de marche.Matériel et méthodes : Après avoir effectué une revue systématique de la littérature sur la récupération fonctionnelle après prothèses totales du membre inférieur (PTH et PTG) afin de nous assurer de l’originalité de notre travail et de sa pertinence nous avons réalisé 2 études prospectives indépendantes : en incluant 76 PTH chez des patients coxarthrosiques d’une part et 79 PTG chez des patients gonarthrosiques d’autre part. Tous les patients bénéficiaient d’une analyse quantifiée de la marche en préopératoire et en post-opératoire (à 6 mois pour les PTH et à un an pour les PTG). Un groupe de témoins sains appariés suivait le même protocole. La vitesse de la marche, l’AAA de hanche et de genou, ainsi que des scores fonctionnels et de qualité de vie étaient évalués, pour tous les paramètres le gain était calculé. Les patients étaient répartis en 2 groupes : patients non-obèses (G1) : IMC<30 et patients obèses (G2) : IMC≥30 dans chacune des cohortes. Des t-tests appariés étaient utilisés pour évaluer (1) les différences pré- et post-opératoires entre G1 et G2, puis les différences de gain entre G1 et G2. Enfin une régression linéaire uni- et multivariée recherchait les associations entre l’IMC, la vitesse de la marche et les AAA.Résultats Pour les 2 cohortes : en préopératoire, la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas chez les obèses. En post-opératoire la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas pour tous les patients opérés d’une PTG ou d’une PTH comparativement au groupe témoin. En pré-opératoire les obèses étaient plus symptomatiques. Une différence significative était retrouvée entre G1 et G2 concernant l’amélioration de la douleur en faveur des obèses (sur le gain de WOMAC douleur pour les PTG et d’EVA pour les PTH). Pour tous les autres paramètres les gains n’étaient pas différents entre G1 et G2. La régression uni- et multivariée ne montrait pas de relation significative entre la vitesse de la marche, les AAA et l’IMC.Conclusion : L’IMC n’a pas d’effet délétère direct sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. En effet malgré une symptomatologie pré-opératoire plus forte les patients obèses présentent une amélioration comparable en termes de gain aux patients non-obèses. Cependant les paramètres de marche post-opératoire après une PTH ou une PTG demeurent significativement plus bas que ceux des témoins et ce quel que soit l’IMC des patients opérés, sans récupération ad integrum clinique ou biomécanique de leur fonction de la hanche ou du genou. Ainsi l’obésité semble présenter un effet similaire sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. / Introduction : Body Mass Index (BMI) impact on gait recovery after total hip and total knee arthroplasty (THA and TKA) remains misunderstood. Few studies have analyzed the influence of BMI on the recovery of hip and knee range of motion (ROM) during gait or walking speed after THA and TKA. Our objective was to assess this impact preoperatively and post-operatively using both 3D gait analysis and clinical assessment. Our hypothesis was that obesity (BMI> 30kg /m2) would be a negative factor in the recovery of gait parameters.Material and methods: After conducting a systematic review of the literature on functional recovery after total prostheses of the lower limb (THA and TKA) to ensure the originality of this work and its relevance we conducted 2 independent prospective studies: including 76 THA in hip osteoarthritis patients on the one hand and 79 TKA in knee osteoarthritis patients on the other hand. All patients had a quantified gait analysis of preoperatively and postoperatively (at 6 months for THA and 1 year for TKA). A control group of matched healthy people followed the same protocol. The gait speed, ROM hip and knee, as well as functional and quality of life scores were evaluated, for all parameters the gain was calculated. Patients were divided into 2 groups in each cohort: non-obese patients (G1): BMI <30kg/m2 and obese patients (G2): BMI≥30kg/m2. Paired t-tests were used to evaluate the pre- and post-operative differences between G1 and G2, then the differences in gain between G1 and G2. Finally, a uni- and multivariate linear regression sought associations between BMI, gait speed, and ROM.Results: In both cohorts: preoperatively, gait speed and ROM were significantly lower in obese patients. Postoperatively, walking speed and ROM were significantly lower for all patients undergoing TKA or THA compared with the control group. Preoperatively obese patients were more symptomatic. A significant difference was found between G1 and G2 regarding pain improvement in favor of the obese (on the gain of WOMAC pain for TKA and analogic pain scale for THA). For all other parameters the gains were not different between G1 and G2. Uni- and multivariate regression showed no significant relationship between gait speed, ROM and BMI.Conclusion: BMI has no direct negative effect on recovery of walking parameters after THA or TKA. Indeed despite a higher preoperative symptomatology obese patients show a comparable improvement in terms of gain to non-obese patients clinically and biomechanically. However, postoperative gait parameters after THA or TKA remain significantly lower than those of controls, regardless of the BMI of patients without full clinical or biomechanical recovery. Though, obesity appears to have a similar effect on the gait parameters recovery after THA or TKA.

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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.