Étude, mise en oeuvre et évaluation d'un prototype de prothèse autonome et prédictive du genou

Study, implementation and evaluation of a prototype of self-powered diagnostic knee implant

• Auteur / Autrice : Shaban Almouahed
• Direction : Chafiaa Hamitouche-Djabou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs de pression

Prothèses de genou

Mots clés libres

Arthroplastie totale du genou

Déséquilibre ligamentaire

Implants instrumentés

Capteurs de pression

Génération d'énergie

Éléments finis

Résumé

La mesure précise de la répartition des efforts tibiofémoraux sur le composant tibial d’un implant de genou est déterminante pour le diagnostic précoce des complications postopératoires les plus fréquentes. Cet complications résultant de différents facteurs chirurgicaux et non-chirurgicaux peuvent diminuer la durée de vie de l’implant et donc conduire à une reprise chirurgicale. L’objectif principal de cette thèse est de proposer, de concevoir, de développer et de tester une première version- du prototype de l’implant autonome et prédictif du genou. Cet implant a la même taille qu’un remplacement classique et peut mesurer avec précision la répartition des efforts lors de la marche. L’embase tibiale de cet implant a été conçue afin de loger quatre éléments piézoélectriques de telle manière qu’ils puissent être simultanément utilisés entant que capteurs de répartition des efforts et générateurs d’énergie électrique. Tout d’abord un modèle électromécanique de l’élément piézoélectrique a été développé pour déterminer théoriquement la quantité d’énergie électrique qui peut être générée dans des conditions de chargement raisonnablement similaires à celles rencontrées in-vivo lors de la marche. Ensuite et avant de fabriquer un prototype expérimental pour les tests de laboratoire, une conception assistée par ordinateur et une modélisation par éléments finis de l’implant tibial ont été développées afin d’étudier l’efficacité de l’approche proposée pour évaluer les facteurs chirurgicaux conduisant à un échec prématuré de l’implant. Enfin, des essais expérimentaux ont été menés sur le prototype pour valider la modélisation théorique. En conclusion, les résultats expérimentaux étaient en accord raisonnable avec les résultats théoriques.

The accurate measurement of the tibiofemoral force distribution on the tibial component of knee implant is crucial for tee early diagnosis of the most common postoperative complications. These complications resulting from various surgical and non-surgical factors may shorten the lifespan of this implant and consequently lead to revision surgery. The main purpose of this thesis is to propose, design,. Develop, and test a first-version prototype of self-powered diagnostic knee implant. This implant has the same size as a conventional replacecement and can accurately measure the force distribution during walking. The tibial baseplate of this implant has specifically been designed in order to house four piezoelectric elements in such a manner that they can simultaneously be used as force distribution sensors and electrical energy harvesters. Firstly, an electromechanical model of the piezoelectric element bas been developed to theoretically quantify the amount of electrical energy that can be generated under loading conditions reasonably. Similar to those- encountered in-vivo during walking. Secondly and before fabricating the experimental prototype for laboratory testing, computer aided design and finite element modeling of the proposed tibial baseplate have been developed in order to study the efficiency of tee proposed approach in assessing tee surgical factors leading to the early failure of the implant. Finally, experimental trials have been conducted on the prototype in order to validate the theoretical modeling. In conclusion, the experimental results were in reasonable agreement with tee theoretical results.