Analyse de l'influence du positionnement personnalisé d'implants dans l'arthroplastie de genou par analyse quantifiée du mouvement et modélisation biomécanique.

Analysis of the influence of personalized positioning of implants in knee arthroplasty by quantified motion analysis and biomechanical modelling

• Auteur / Autrice : Benoit Gaulin
• Direction : Estelle Palluel, Antoine Perrier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : BIS - Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le 12/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Translational Innovation in Medicine and Complexity

Mots clés

Mots clés libres

Arthroplastie totale du genou

Analyse du mouvement

Positionnement personnalisé

Modélisation biomécanique

Total knee arthroplasty

Personalized positioning

Biomechanical modeling

Quantified motion analysis

Résumé

L'arthroplastie totale de genou demeure le traitement de référence dans la prise en charge de la gonarthrose invalidante. L'amélioration des résultats fonctionnels, l'accroissement de l'offre de soins et le vieillissement de la population ont contribué à la hausse des indications de prothèse totale de genou dans les pays occidentaux. De même, l'amélioration des techniques de pose ont permis d'accroitre la durée de vie des prothèses avec un taux de survie estimé aujourd'hui à 98 % à dix ans postopératoires, ont contribué à l'extension des indications d'arthroplastie à des patients de plus en plus jeunes. Le bon positionnement des implants est un élément fondamental tant pour le résultat fonctionnel des patients que pour la survie des implants. Le recours à ces outils de haute précision a permis d'obtenir des résultats radiologiques satisfaisants en termes de positionnement des implants. Cependant , le taux d'insatisfaction des patients après une arthroplastie totale de genou est demeuré élevé. Malgré ces efforts constants dans l'amélioration de la précision du positionnement des implants prothétiques, qui ont néanmoins permis une augmentation significative de la survie des prothèses de genou, 20 % des patients demeurent insatisfait du résultat clinique obtenu. il apparaît que les critères de bon positionnement ne sont aujourd'hui pas suffisamment adaptés. Avec l'amélioration des dispositifs de poses et la multiplication des possibilités, les modalités de mise en place des prothèses de genou sont plus que jamais discutées. Des travaux récents tendent à montrer que les critères de positionnement classiquement utilisés ne permettent pas d'obtenir un taux de résultats fonctionnels pleinement satisfaisant et qu'il est nécessaire de redéfinir les critères de positionnement des implants prothétiques. Ces futurs critères doivent permettre de prendre en compte les problématiques d'équilibrage ligamentaire et les conséquences biomécaniques de l'implantation prothétique, tout en s'adaptant à la variabilité de chaque patient. A cette fin, la comparaison des résultats radiologiques de patient aux résultat cliniques satisfaisants avec des patients insatisfaits pourrait permettre de définir de nouveaux critères de bon positionnement des implants. Afin de mener une telle étude, l'utilisation de jumeaux numériques développés à partir de scanner pré et post opératoire semble le plus adapté. Le recours à ce type de modélisation permettrait d'analyser les conséquences radiologiques et fonctionnels de différentes stratégies de positionnements des implants. Mais il convient de disposer de jumeaux numériques d'un grand réalisme pour pouvoir en tirer des conclusions applicables en pratique clinique. L'objectif à terme étant de de mettre à disposition des chirurgiens des outils de planification pré opératoires adaptés, prenant en compte ces critères de positionnements. Un tel outil de planification combiné à la précision des nouveaux dispositifs chirurgicaux tel que les robots permettrait aux chirurgiens de réaliser un geste aboutissant à un positionnement des implants d'une grande précision et adapté à chaque patient. A ces fins, le laboratoire Twinsight® développe un outil de modélisation biomécanique et de simulation numérique utilisant des jumeaux numériques d'une grande fidélité biomécanique, basés sur une anatomie structurelle et fonctionnelle standardisée et évaluée. Cette plateforme permet notamment de contribuer à l'utilisation et la planification de pose de prothèses par l'utilisation d'un jumeau numérique personnalisé construit automatiquement à partir de données disponibles (scanner 3D, imagerie médicale). Le développement et l'utilisation de cet outil permettrait donc de satisfaire à nos exigences, à savoir : - Définir de nouveaux critères de bon positionnement - Aider les chirurgiens à choisir au mieux le positionnement des implants en fonction du morphotype et des contraintes mécaniques de chaque patient. Afin d'affiner cet outil de modélisation et améliorer la fidélité des jumeaux numériques, le recours à l'analyse du mouvement paraît être une étape indispensable. Dans un premier temps : l'objectif de notre travail sera d'analyser la marche et le mouvement chez des patients porteur d'une prothèse totale de genou à partir d'une plateforme d'analyse du mouvement. Les données ainsi obtenues seront ensuite incrémentées au logiciel de modélisation et au jumeau numérique du patient. Cela devrait permettre de modéliser le plus fidèlement possible le mouvement chez un patient porteur d'une prothèse de genou. La répétition de ce type d'analyse chez différents patients et le recueil de leurs données permettront d'améliorer la qualité du logiciel de modélisation. Il sera ensuite possible de modéliser les conséquences d'une modification du positionnement des implants sur la biomécanique et les structures anatomiques du genou. La comparaison et l'analyse intra et inter patient des conséquences des différentes stratégies de positionnement de la prothèse permettraient de définir des hypothèses sur les critères de positionnement les plus adaptées pour chaque patient en fonction des structures osseuses, de la déformation articulaires relative à l'arthrose, de l'équilibrage des structures capsulo ligamentaires et myo tendineuse. Dans un second temps : Cet outil pourra être utilisé sur une large base de données scannographique de plusieurs centaines de patients pour lesquelles un scanner pré et post implantation prothétique est déjà disponible. En plus de cette banque d'imageries médicales, des résultats cliniques et fonctionnels sont d'ores et déjà disponibles. Nous pourrons ainsi tester nos hypothèses sur les différents jumeaux numériques et les mettre en corrélations avec les résultats fonctionnels de chaque patient. La comparaison des résultats fonctionnels et de la biomécanique du jumeau numérique de chaque patient permettra d'affiner nos hypothèses relatives aux critères de bon positionnement des implants. Cette démarche permettrait d'obtenir en outre une validation théorique de notre modèle avant une éventuelle mis en œuvre pratique. Ce travail pourra servir de base à la justification d' une potentiel étude clinique où ce logiciel de simulation sera utilisé pour planifier en pré opératoire le positionnement des implants. La combinaison de ce logiciel de planification basé sur un jumeau numérique fidèle et le recourt aux robots chirurgicaux permet d'espérer obtenir une amélioration significative des résultats cliniques et fonctionnels chez des patients porteur d'une prothèse totale de genou e

Total knee arthroplasty remains the gold standard treatment for managing debilitating knee osteoarthritis. The improvement in functional outcomes, increased availability of healthcare services, and aging population have contributed to the rise in indications for total knee replacement in Western countries. Implants as well as surgical techniques have evolved significantly since the 1990s. The constant drive for innovation is motivated by a single goal: enabling patients to regain a pain-free knee, with joint ranges of motion comparable to that of a healthy knee, achieving a level of activity equivalent to the general population, and ultimately allowing the patient to forget about their prosthesis. The proper positioning of implants is a fundamental element both for the functional outcome of patients and for the longevity of the implants. The use of these high-precision tools has allowed for satisfactory radiological results in terms of implant positioning. However, the rate of patient dissatisfaction following total knee arthroplasty has remained high. Despite constant efforts to improve the precision of prosthetic implant positioning, which have nonetheless led to a significant increase in knee prosthesis survival, 20% of patients remain dissatisfied with the clinical outcome obtained. Despite the performance of such devices, it appears that the criteria for proper positioning are currently not sufficiently adapted. With the improvement of implantation devices and the proliferation of possibilities, the methods for knee prosthesis placement are more debated than ever. Recent studies tend to show that the traditionally used positioning criteria do not achieve a fully satisfactory rate of functional results, and that it is necessary to redefine the criteria for prosthetic implant positioning. These future criteria should take into account ligament balancing issues and the biomechanical consequences of prosthetic implantation, while adapting to the variability of each patient. To this end, comparing the radiological results of patients with satisfactory clinical outcomes to those of dissatisfied patients could help define new criteria for proper implant positioning. To conduct such a study, the use of digital twins developed from pre- and post-operative scans seems most appropriate. The use of this type of modeling would allow for the analysis of radiological and functional consequences of different implant positioning strategies. However, it is important to have highly realistic digital twins in order to draw conclusions applicable in clinical practice. The ultimate goal is to provide surgeons with pre-operative planning tools that take these positioning criteria into account. Such a planning tool, combined with the precision of new surgical devices such as robots, would enable surgeons to achieve highly precise implant positioning tailored to each patient. To this end, the Twinsight® laboratory is developing a biomechanical modeling and numerical simulation tool using highly faithful digital twins, based on standardized and evaluated structural and functional anatomy. This platform notably contributes to the use and planning of prosthesis placement by utilizing a personalized digital twin built automatically from available data (3D scans, medical imaging). the development and use of this tool would therefore meet our requirements, namely: Defining new criteria for proper positioning Assisting surgeons in choosing the best implant positioning based on each patient's morphotype and mechanical constraints. To refine this modeling tool and improve the fidelity of digital twins, motion analysis appears to be an essential step. Initially, our work's objective will be to analyze walking and movement in patients with total knee replacement using a motion analysis platform. The data obtained will then be integrated into the modeling software and the patient's digital twin. This should allow for the most faithful possible modeling of movement in a patient with a knee prosthesis. Repeating this type of analysis in different patients and collecting their data will improve the quality of the modeling software. It will then be possible to model the consequences of changes in implant positioning on knee biomechanics and anatomical structures. Intra- and inter-patient comparison and analysis of the consequences of different prosthetic positioning strategies would help define hypotheses on the most appropriate positioning criteria for each patient based on bone structures, arthritis-related joint deformities, and balancing of capsulo-ligamentous and myotendinous structures. Subsequently, this tool can be used on a large database of several hundred patients with pre- and post-prosthetic implantation scans already available. In addition to this bank of medical images, clinical and functional results are already available. We can test our hypotheses on different digital twins and correlate them with each patient's functional outcomes. Comparing the functional and biomechanical results of each patient's digital twin will refine our hypotheses regarding proper implant positioning criteria. This approach would also provide theoretical validation of our model before any practical implementation.