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.

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.

La Prothèse Totale de Hanche Double Mobilité (PTH-DM) a été inventée pour conjuguer l’usure faible du concept de low friction tout en proposant une solution au problème de la luxation. La Double Mobilité présente différentes composantes et ses indications sont diverses.Une étude clinique à long terme a permis de définir les avantages et échecs de ce concept. Une complication spécifique est la Luxation Intra Prothétique (LIP) ou usure de la collerette de rétention de l’insert en polyéthylène. Différentes formes peuvent être rencontrées.L’objectif principal de notre travail était de comprendre le fonctionnement de la Double Mobilité, c’est-à-dire le rôle respectif des 2 mobilités et de la collerette ainsi que leurs profils d’usure.Les objectifs secondaires étaient de comprendre les échecs, le descellement de cupule et la luxation intra-prothétique et de définir des pistes d’optimisation de l’usure.Plusieurs techniques d’analyse d’usure, à différentes échelles ont été élaborées. La profilométrie mécanique permet d’étudier la rugosité de surface, la microscopie électronique à balayage recherche les mécanismes d’usure. La cartographie CMM permet d’appréhender les paramètres de forme et d’ondulation. Nous proposons une nouvelle technique pour augmenter l’analyse qualitative de l’usure. L’analyse FE complète ces moyens, qui ont été appliquées sur des explants. 3 groupes d’explants, constitués par les inserts ayant fonctionnés plus de 15 ans sans LIP, les inserts issus de LIP et les inserts récents, le dessin et le matériau de l’insert ayant été modifiés.Les trois groupes ont été comparés. La LIP a pu être identifiée comme liée à l’usure de la collerette. Cette usure est majoritairement composée par l’usure externe de la collerette, elle-même liée aux propriétés du col de la tige fémorale.Les explants de plus de 15 ans ont présenté une usure d’environ 45 mm3/an, comparable aux implants métal-polyéthylène. Les méthodes standard d’analyse d’usure radiographique ne peuvent pas être appliquées à l’analyse des PTH-DM. Les dimensions de la cupule métallique et les caractéristiques du col fémoral prothétique étaient les seuls facteurs influant sur l’incidence de LIP. Une ébauche de modélisation de fonctionnement de la PTH-DM a pu être proposée en se basant sur les données des explants. La deuxième mobilité, par son rôle de réserve de mobilité, permet de diminuer l’usure globale et doit être encouragée. La collerette de rétention constitue également un point clé du concept et possède un rôle dans la survie. / Dual Mobility Total Hip Arthroplasty (DM-THA) was invented to combine the low wear of low friction while providing the solution to the problem of dislocation. Dual Mobility has different components and indications are diverse. A clinical long-term study of a PTH-DM first line has identified the benefits and failures of this concept. A specific complication is Intra Prosthetic Dislocation (IPD. Different types of IPD can be encountered. The main objective of our work was to understand the functioning of the Dual Mobility, the respective roles of the two mobilities and retention and their wear profiles. Secondary objectives were to understand the failures, loosening of the cup and intra-prosthetic dislocation and define an optimization of wear. Material and Methods: Several wear analysis techniques at different scales have been developed. Mechanical profilometry was used to study the surface roughness, the scanning electron microscopy researched the mechanisms of wear. CMM allowed us to understand the shape and waviness parameters. We suggested a new technique to increase the qualitative analysis of wear. The FE analysis would complete these means, which were applied to the explants. 3 groups of explants, formed by the liners having functioned for over 15 years without IPD, IPD and more recent liners, the design and material of the insert having been changed. Results: The three groups were compared. IPD has been identified as related to wear of the rim. This wear was mainly composed by the wear of the outer side of the rim, which was itself related to the properties of the neck of the femoral stem. Explants over 15 years showed wear about 45 mm3/year, which was at least comparable to standard metal on polyethylene implants. Standard wear analytical methods could not be applied to the analysis of DM-THA. The dimensions of the metal back and characteristics of the prosthetic femoral neck were the only factors affecting the incidence of IPD. Discussion: A schematic model of the functioning of DM-THA has been given based on the data of the explants. The second mobility, through its role as a reserve of mobility, reduces the overall wear and should be encouraged. The retentive rim is also a key point in the design and has a role in the implant survival. The wear data were still incomplete and there will be further work to improve our work at the statistical level.

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.

La performance des mécanismes est intimement liée à la précision des surfaces qui composent les liaisons. La démarche habituelle de l’analyse de ces surfaces est basée sur des hypothèses fortes concernant leurs comportements. Ainsi, les défauts de forme et de rugosité sont négligés et les surfaces sont supposées infiniment rigides. L’objectif principal de ces travaux est de développer une méthode permettant d’étudier l’influence des défauts de forme sur les performances des assemblages. Elle repose sur une méthodologie et des outils pour l’identification des défauts qui vont optimiser ou pénaliser les exigences fonctionnelles de l’assemblage. Dans ce manuscrit, deux cas d’étude sont proposés.Dans un premier temps, un montage de type bride (centrage court, appui plan) est étudié afin de valider l’ensemble de la démarche développée. Les outils utilisés reposent essentiellement sur la décomposition et composition modale des défauts, le concept de surface écarts, la recherche de zone d’appui stable ainsi que la quantification des déformations de surfaces de contact basées sur des modèles analytiques ou numériques. L’influence des défauts de forme sur la précision de mise en position est quantifiée par un domaine écart de liaison. Une confrontation entre la démarche théorique et un dispositif expérimental permet de valider l’approche. Par la suite, une liaison sphérique est considérée constituant une prothèse totale de hanche en matériau céramique. Pour ce cas d’étude, l’objectif est d’identifier, au regard des typologies de défauts, leurs conséquences sur l’apparition d’un phénomène sonore assimilable à du grincement appelé le squeaking. La démarche reprend les mêmes étapes que celles utilisées avec l’étude de la bride. Différents dispositifs expérimentaux sont mis en place confirmant la pertinence de cette approche. Des mesures spécifiques apportent des éléments d’analyse et de compréhension sur le comportement dégradé de la liaison. Ce travail de thèse s’inscrit dans une collaboration entre 3 laboratoires : SYMME d’Annecy, I2M-IMC de Bordeaux-Talence, et la société Tural localisée à Marignier (74), laboratoire de recherche industrielle qui travaille sur des implants médicaux. / The performance of a mechanism is closely correlated with the accuracy of the surfaces that make up the mechanical joint. The most common approach used to study these surfaces is based on strong assumptions about their behavior. Form errors and roughness are neglected and the surfaces are assumed infinitely rigid. The main objective of this work is to develop an original approach to study the impact of form errors on the assemblies. It is mainly based on a methodology and associated tools to predict which defects will optimize or penalize the functional requirements of the assembly. In this manuscript, two case studies are proposed. In a first step, a plate flange (ball and cylinder joints added to a planar joint) is designed to validate the overall approach. Modal decomposition of defects, sum-surface concept, the determination of a stable contact area and quantification of contact deformation of surfaces correspond to the main theoretical tools used in this framework. The influence of form errors on the positioning accuracy is quantified by a clearance domain. Comparisons between theoretical approach and experimental setup are used to validate the models. Subsequently, a spherical joint is considered corresponding to a total hip implant with ceramic material. The objective of this study is to identify which type of form errors can impact the appearance of the squeaking phenomena. The same procedure is followed as for the first example. In parallel, several experimental devices are designed to validate the relevance of this approach. Specific measurements provide some key elements to understand the behavior of the implant subject to squeaking. This work is part of a collaboration between three laboratories : SYMME Annecy, I2M-IMC Bordeaux, and Tural company located in Marignier (74), an industrial research laboratory working on medical implants.

La performance du couple prothétique tête fémorale/cupule impacte fortement la durée de vie d’une prothèse totale de hanche. Les céramiques affichent une excellente combinaison de propriétés de biocompatibilité, mécaniques et tribologiques. Les composites ZTA formés d’une matrice d’alumine renforcée en zircone sont optimisés pour offrir le meilleur compromis de dureté, stabilité chimique, ténacité et résistance mécanique. La prédiction de la performance de ces matériaux doit prendre en compte les trois principaux modes de dégradation identifiés en configuration céramique/céramique (CoC) : le choc avec décoaptation, le frottement et le vieillissement à basse température. Ces modes sont susceptibles d’être simulés in vitro à partir de tests expérimentaux, respectivement, sur une machine de chocs, un simulateur de marche et en autoclave. L’objectif de ce projet est de combiner ces tests afin de mieux résoudre l’équation in vitro = in vivo. Les chocs dominent les processus de dégradation avec la formation de bandes d’usure. Le matériau testé a montré une excellente résistance au vieillissement. La dégradation induite par le test d’usure standard sur simulateur de marche est négligeable et pose la question de la pertinence de ce test pour les couples CoC. L’importance de la prise en compte des chocs dans les tests expérimentaux a été confortée grâce à une analyse d’explants. Une transformation de phase de la zircone a été mécaniquement induite dans les bandes d’usure créées in vitro et in vivo. Un mécanisme de dégradation a été suggéré au sein de ces bandes. La réponse du matériau est en partie déterminée par la force appliquée au cours des chocs. / The performance of the prosthetic couple (femoral head/cup) influences strongly the lifetime of a total hip prosthesis. Ceramics exhibit an excellent combination of biocompatibility, mechanical resistance and tribological properties. Zirconia toughened alumina (ZTA) composites are made of an alumina matrix and well dispersed zirconia particles. They are tailored in order to offer the best compromise of hardness, chemical stability, toughness and mechanical resistance. The prediction of the performance of such materials must take into consideration the three main sources of degradation identified for Ceramic-on-Ceramic (CoC) bearings: shocks due to micro-separation, friction and low temperature degradation (LTD). Experimental tests on a shock machine, a hip-walking simulator and in an autoclave are able to simulate in vitro each of these sources of degradation, respectively. The aim of the project is to combine these tests in order to solve better the equation in vitro = in vivo. Shocks dominate the processes of degradation with the formation of wear stripes. The tested material showed an excellent resistance to LTD. The damage induced by the standard wear test on a hip-walking simulator is negligible, which raises the question about the relevance of this test for CoC couplings. An analysis of explants confirmed the decisive role of shocks in experimental tests. Zirconia phase transformation was mechanically induced within both in vitro and in vivo wear stripes. A degradation mechanism was suggested within the stripes. The material response is partly determined by the force applied during shocks.

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La performance des mécanismes est intimement liée à la précision des surfaces qui composent les liaisons. La démarche habituelle de l'analyse de ces surfaces est basée sur des hypothèses fortes concernant leurs comportements. Ainsi, les défauts de forme et de rugosité sont négligés et les surfaces sont supposées infiniment rigides. L'objectif principal de ces travaux est de développer une méthode permettant d'étudier l'influence des défauts de forme sur les performances des assemblages. Elle repose sur une méthodologie et des outils pour l'identification des défauts qui vont optimiser ou pénaliser les exigences fonctionnelles de l'assemblage. Dans ce manuscrit, deux cas d'étude sont proposés.Dans un premier temps, un montage de type bride (centrage court, appui plan) est étudié afin de valider l'ensemble de la démarche développée. Les outils utilisés reposent essentiellement sur la décomposition et composition modale des défauts, le concept de surface écarts, la recherche de zone d'appui stable ainsi que la quantification des déformations de surfaces de contact basées sur des modèles analytiques ou numériques. L'influence des défauts de forme sur la précision de mise en position est quantifiée par un domaine écart de liaison. Une confrontation entre la démarche théorique et un dispositif expérimental permet de valider l'approche. Par la suite, une liaison sphérique est considérée constituant une prothèse totale de hanche en matériau céramique. Pour ce cas d'étude, l'objectif est d'identifier, au regard des typologies de défauts, leurs conséquences sur l'apparition d'un phénomène sonore assimilable à du grincement appelé le squeaking. La démarche reprend les mêmes étapes que celles utilisées avec l'étude de la bride. Différents dispositifs expérimentaux sont mis en place confirmant la pertinence de cette approche. Des mesures spécifiques apportent des éléments d'analyse et de compréhension sur le comportement dégradé de la liaison. Ce travail de thèse s'inscrit dans une collaboration entre 3 laboratoires : SYMME d'Annecy, I2M-IMC de Bordeaux-Talence, et la société Tural localisée à Marignier (74), laboratoire de recherche industrielle qui travaille sur des implants médicaux.