Etude biomécanique des mécanismes de déchargement articulaire d'une orthèse de genou pour le traitement de l'arthrose

Biomechanical study of joint unloading mechanism using knee orthosis for the treatment of osteoarthristis

• Auteur / Autrice : Sacha Guitteny
• Direction : Raphaël Dumas, Rachid Aissaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomecanique
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Hélène Pillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Dumas, Rachid Aissaoui, Charles Pontonnier, Sonia Duprey, Pauline Gérus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Pillet, Charles Pontonnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Genou

Orthèses

Gonarthrose

Mots clés libres

Gonarthrose

Modélisation Musculosquelettique

Orthèse de Genou

Chargement Articulaire Tibio-Fémoral

Osteoarthritis

Musculoskeletal modelling

Knee Brace

TibioFemoral Contact Loading

Résumé

Avec le vieillissement de la population, les pathologies du système ostéoarticulaire, telle que l'arthrose du genou, sont devenues un enjeu majeur de nos sociétés modernes. Le port d'une orthèse de genou est un traitement préventif pour soulager les patients et limiter la progression de la pathologie. Cependant, notre compréhension quant aux mécanismes de (dé)chargement articulaire liée à ces dispositifs médicaux reste aujourd'hui limitée et nécessite des études plus approfondies. Afin de quantifier de manière objective les effets du port d'une orthèse sur la biomécanique du genou arthrosique, une modélisation musculosquelettique a été mise en œuvre dans cette thèse. L'objectif est de développer un modèle du membre inférieur, personnalisé au sujet qui prend en compte à la fois la géométrie (reconstructions osseuses à partir de radiographies bi-planes) et la cinématique de l'articulation tibio-fémorale (trajectoires des points de contact) et modélise les interactions entre la cuisse, la jambe et une orthèse de genou (raideurs des tissus mous, mouvements relatifs entre les solides). Après l'évaluation du modèle sur une population équipée de prothèses de genou instrumentées, les forces musculaires et de contact articulaire estimées par optimisation (cinématique et dynamique inverse) dans deux cas de chargements (accroupissement et marche sur tapis roulant) sont analysées pour une population arthrosique avec et sans orthèse. De manière générale, cette thèse vise à explorer comment et dans quelle(s) proportion(s) un modèle d'orthèse sur mesure modifie le chargement de l'articulation.

With the aging population, osteoarticular system pathologies, such as knee osteoarthritis, have become a major health issue in today’s society. Knee orthoses are preventive devices that aimed at relieving knee joints and limiting the progression of the disease. These medical devices are known to (un)load the knee joint through various mechanisms. However, current knowledge about these mechanisms is limited and requires further in-depth studies. To objectively quantify the effects of wearing an orthosis on the biomechanical behavior of the arthritic knee, a musculoskeletal modeling is developed in this PhD thesis. The aim is to build a personalized model of the lower limb that incorporates both geometry (bone reconstructions derived from biplane radiography) and the tibio-femoral kinematics (from contact points trajectories). The model also considers the interactions between the thigh, the shank and a knee orthosis (soft tissue stiffness, relative motion between the rigid bodies). Multibody modeling is currently in full expansion, and the development of all these parameters seems to be crucial. Following the evaluation of the model on a population equipped with instrumented knee prostheses, the muscle and joint contact forces, estimated through optimization techniques (kinematic and inverse dynamics), are analyzed under two loading conditions (squatting and treadmill walking) for an arthritic population both with and without wearing an orthosis. Overall, this PhD thesis aims to explore how and to which extend a personalized orthosis allows for joint (un)loading.