Contributions mécaniques et numériques pour le développement de modèles individualisés os/implant : application à l'optimisation de l'arthroplastie totale du genou

Mechanicals and numericals contributions for the development of individualised bone/implant models : application to the optimisation of total knee replacement

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Renault
• Direction : Patrick Chabrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey (ISM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Ponthot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Royer, Frank Jourdan, Jean-Noël Argenson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Germaneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arthroplastie

Gonarthrose

Biomécanique

Prothèses de genou

Mots clés libres

Element finis

Numérique

Prothèse totale de genou

Remodellage Osseux

Planification préopératoire

Biomécanique

Finite element modelling

Numeric

Biomechanic

Total Knee Replacement

Bone remodelling

Preoperative planning

Résumé

La gonarthrose est une maladie handicapante qui touche l’ensemble des structures articulaires du genou. Elle est favorisée par un défaut d’alignement du genou sur l’axe mécanique du membre inférieur, ce défaut cause un déséquilibre de la répartition des charges entre la partie médiale et la partie latérale de l’articulation. Lorsque la gonarthrose est trop avancée, une opération chirurgicale, l’arthroplastie totale de genou (ATG), permet le remplacement de l’articulation native par une prothèse totale de genou (PTG). Il n’y a pas de consensus clinique sur le meilleur positionnement des implants de la PTG, les principales causes d’échecs sont le descellement aseptique de l’implant tibial et les douleurs inexpliquées. Ces causes s'expliquent en partie par la perturbation du chargement mécanique de l’os induite par l’implantation d’une prothèse. Ce travail propose une méthode pour déterminer un positionnement des implants spécifique au patient pour limiter ces risques d’échec. Des méthodes automatiques, opérateur-indépendantes, d’association de repères anatomiques aux os du genou ont été développées et évaluées, elles permettent une implantation virtuelle automatique des implants. Nous avons montré que le défaut d’alignement conditionne les propriétés micromécaniques et micro-architecturales de l’os situé sous l’implant. Des modèles éléments-finis patients spécifiques ont été automatiquement construis. Pour chaque patient plusieurs stratégies chirurgicales de positionnement des implants ont été simulées et ont montré que le positionnement et les propriétés mécaniques de l’os trabéculaire influencent les phénomènes à l’origine d’une partie des échecs de PTG.

Gonarthrosis is a widespread disabling disease which affects all joint structures of the knee. It is worsened by a non-alignment of the knee on the mechanical axis of the lower limb, this malalignment causes an imbalance in the distribution of loads between the medial and lateral part of the joint. When the gonarthrosis is too advanced, Total Knee Arthroplasty (TKA), allows the replacement of the native joint with a Total Knee Replacement (TKR) prosthesis. There is no clinical consensus on the best positioning of TKR implants, the main causes of failure are aseptic loosening of the tibial implant and unexplained pain. These causes are partly explained by the disruption of the mechanical loading of the bone induced by the implantation of a prosthesis. This work proposes a method to determine a patient-specific implant positioning to limit these risks of failure. During this thesis, operator-independent methods were developed and evaluated to automatically construct anatomical coordinate system on the knee bones, allowing automatic and parametric virtual implantation of implants. Using microindentation and µ-CT imaging, we showed that malalignment affects the micromechanical and micro-architectural properties of the bone under the implant. Patient-specific finite-element models were automatically built. For each patient, several surgical strategies for implant positioning were simulated. These simulations have shown that the positioning and mechanicals properties of trabecular bone influence the phenomena which cause a large part of TKR failure. The work carried out led to a numerical and mechanical method for optimizing the positioning of each patient's tibial implant.