Modélisation du comportement biomécanique d’un fémur biprothésé pour le développement d’un outil numérique d’aide à la décision lors de la pose d’implant

Modeling the biomechanical behavior of a biprosthetic femur for the development of a numerical decision-making tool during implant placement

• Auteur / Autrice : Ahmed Mohsen Mohammed Abdelkader
• Direction : Nadia Bahlouli, Sybille Facca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Chabrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Cluzel, Matthieu Ehlinger, João Pedro De Magalhães Correia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Jourdan, Laurent Gornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses de genou

Arthroplastie prothétique de genou

Mots clés libres

Fémur bi-prothétique

Fracture inter-prothétique

Élément fini

Déformation

Contrainte

Biprosthetic femur

Interprosthetic fracture

Finite element

Deformation

Stress

Résumé

L'arthroplastie totale de la hanche (ATH) et l'arthroplastie totale du genou (ATG) sont des interventions de plus en plus courantes chez les personnes âgées. Cependant, il existe un risque élevé de fracture inter-prothétique (FIP) pour les patients qui ont subi une arthroplastie de la hanche et du genou sur la même jambe. Dans cette étude, nous utilisons des simulations numériques pour évaluer la réponse mécanique d'un fémur avec une arthroplastie totale de la hanche et du genou en compression et en flexion avec différentes conditions aux limites. Dans une première analyse, une géométrie simplifiée du fémur a été utilisée pour bien comprendre les mécanismes de transfert de charge et l'influence de la distance des longueurs de tige de la prothèse. Ensuite, une géométrie réelle a été modélisée pour introduire la notion de patient dépendant. La problématique portera donc sur l'analyse des facteurs de risque d'apparition de fractures du fémur bi-prothétique en évaluant et caractérisant les contraintes locales subies par ce fémur avec un focus sur les fractures inter-prothétiques. En effet, le positionnement d'une prothèse de hanche et de genou modifie l'élasticité de l'ensemble du fémur et du nouveau " couple " fémur-prothèse. La distribution des contraintes est affectée lors d'un chargement conventionnel. L'objectif est donc de comprendre les mécanismes de sur contraintes et leurs effets sur la fracture afin de pouvoir évaluer le risque de fracture, en fonction de la zone du fémur " libre d'implant ", dans un but de prévention. L'évaluation de ce risque serait également intéressante pour adapter la longueur des implants prothétiques de première ou de révision, voire pour remettre en cause les longueurs classiquement définies des pivots fémoraux des prothèses totales de hanche (PTH) ou de genou (PTG). Pour atteindre cet objectif, nous proposons de développer un outil d'aide à la décision pour le chirurgien orthopédiste, afin de définir une géométrie optimale de la prothèse à implanter et de déterminer la nécessité d'implanter une plaque fémorale diaphysaire préventive péri-prothétique. Cet outil sera basé sur la modélisation par éléments finis qui est un outil d'ingénierie pour l'analyse structurelle qui est utilisé depuis de nombreuses années pour évaluer la relation entre le transfert de charge et la morphologie de l'os et pour optimiser la conception et la fixation des implants orthopédiques.

Total hip arthroplasty (THA) and total knee arthroplasty (TKA) have become increasingly common pro- cedures in the elderly. However, there is a high risk of interprosthetic fracture (IPF) for patients who have undergone hip and knee arthroplasty on the same leg. In this study, we use numerical simulations to evaluate the mechanical response of a femur with total hip and knee arthroplasty both in compression and in flexion with different boundary conditions. In a first analysis, a simplified geometry of the femur was used to fully understand the load transfer mechanisms and the influence of the distance of the prosthesis stem lengths. Then a real geometry was modeled to introduce the notion of dependent patient. The problematic will thus focus on the analysis of the risk factors of occurrence of fractures of the bi-prosthetic femur by evaluating and characterizing the local stresses undergone by this femur with a focus on the inter-prosthetic fractures. Indeed, the positioning of a hip and knee prosthesis modifies the elasticity of the whole femur and of the new femur-prosthesis "couple". The distribution of stresses is affected during conventional loading. The objective is therefore to understand the mechanisms of overstress and their effects on fracture so as to be able to assess the risk of fracture, depending on the area of the femur "free of implant", with the aim of preventing the patient. The evaluation of this risk would also be of interest to adapt the length of the prosthetic implants of primary or revision, or even to question the classically defined lengths of the femoral pivots of total hip replacement (THR) or total knee replacement (TKR). To achieve this objective, we propose to develop a decision support tool for the orthopaedic surgeon, in order to define an optimal geometry of the prosthesis to be implanted and to determine the need to implant a preventive peri-prosthetic diaphyseal femoral plate. This tool will be based on finite element modeling which is an engineering tool for structural analysis that has been used for many years to evaluate the relationship between load transfer and bone morphology and to optimize the design and fixation of orthopedic implants.