Etude biomécanique 3D d'un implant trapézo-métacarpien à l'aide de techniques d'imagerie médicale, d'éléments finis et de caractérisation mécanique

= 3D biomechanical study of a carpometacarpal implant using medical imaging, finite element and mechanical testing

• Auteur / Autrice : Florence Lbath-Lassays
• Direction : Claude Rumelhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSo - Laboratoire de Mécanique des Solides, EA 675 (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Hydroxyapatite

Articulations carpométacarpiennes

Résumé

Le mémoire de thèse porte sur l'étude biomécanique tridimensionnelle de l'articulation trapézo-métacarpienne, située à la base du pouce, chez le sujet sain ou pathologique, pour lequel l'articulation est reconstruite à l'aide d'une prothèse totale sans ciment recouverte d'hydroxyapatite (HA) projeté par une torche à plasma. L'effort résultant à l'articulation TM saine a été déterminé après modélisation mécanique en résolvant un système hyperstatique pour deux gestes parmi les plus utilisés : la pince de précision et la pince latérale. Deux techniques expérimentales ont permis d'acquérir les données géométriques spatiales (directions et points d'application des efforts musculaires, orientations de la colonne du pouce) : sur main de cadavre à partir de photographies de coupes anatomiques et sur sujet vivant à l'aide d'une méthode originale utilisant l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), permettant de visualiser les tissus mous. L'étude de la prothèse in situ a été réalisée par une approche théorique utilisant la méthode des éléments finis (MEF), la géométrie anatomique précise étant acquise par tomodensitométrie (scanner) et une approche expérimentale, ayant pour but, d'une part, de valider les résultats de l'étude théorique par photoélasticimétrie et extensométrie, et d'autre part, de déterminer les caractéristiques mécaniques de l'os et de l'hydroxyapatite. Des essais de compression, de traction et de cisaillement de la couche d'HA ont permis d'établir un critère de résistance permettant de prendre en compte, au niveau de l'analyse par éléments finis, Je comportement de ce biomatériau particulièrement fragile. Ce travail, non exhaustif (stabilité, propriétés fines de l'os,. . . ) et essentiellement méthodologique, a mis en évidence et quantifié, en situation post-opératoire (glissement de la prothèse dans le site d'implantation) et à terme (ancrage parfait), les sollicitations très importantes intervenant dans le revêtement d'HA, pouvant mettre en cause. En l'état actuel de notre modélisation, le principe même de l'ancrage.

The osteoarthritis of the carpometacarpal (CMC) joint, located at the base of the thumb, can be treated by a total cementless prosthesis coated with hydroxyapatite (HA). This work deals with the three-dimensional biomechanical study of the intact and prosthetic CMC joint. The CMC constraining force was predicted for two hand function: tip pinch and key pinch. The joint and tendon spatial orientations were defined using two distinct experimental methods: cadaver hand anatomical section photographs and an original method using magnetic resonance imaging of a living hand. A numerical model of the CMC prosthetic joint based on the finite element method was developed to evaluate the mechanical behaviour of the bone-prosthesis structure for two typical loading (tip and key pinches). The accurate description of bone geometry was simulated using data obtained from computed tomography of a cadaver hand. The theoretical analysis of the carpometacarpal total arthroplasty was coupled with experimental studies on the one hand, to validate the calculations by photoelastic and strain-gauge measurements, on the other hand, to determine the bone and hydroxyapatite mechanical characteristics. Compressive, tensile and shear tests of the HA coating lead to a failure criterion, in order to take into account this biomaterial behaviour in the finite element model. This work, even though non exhaustive, essentially presented an important methodological contribution. The finite element models predicted, immediately after surgery (contact with friction at the bone-implant interface) and in the long term after bony ingrowth (fully bonded interface), large stresses in the hydroxyapatite coating, in the current state of our modelling.