Méthodes acoustiques pour l'estimation de stabilité biomécanique des implants

Acoustic methods development for implants biomechanical stability assessment

• Auteur / Autrice : Adrien Michel
• Direction : Guillaume Haïat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 23/10/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Peter Zioupos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Haïat, Vu Hieu Nguyen, Patrice Masson, Michel Darmon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvan Petit, Philippe Zysset
• DOI : 10.70675/7c8b7149z3d25z42f2z8fa9z1479b67eaeda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses de hanche

Propriétés mécaniques

Implants orthopédiques

Stabilité

Biomécanique

Mots clés libres

Biomécanique

Prothèse de hanche

Stabilité des implants

Impact

Orthopédie

Os

Biomechanics

Hip replacement

Implant stability

Impact

Orthopaedics

Bone

Résumé

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