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Étude biomécanique de la réduction trochantérienne

Cloutier, Luc (2013). Étude biomécanique de la réduction trochantérienne. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le grand trochanter (GT) sert de point d’ancrage à plusieurs muscles dont le plus important est le moyen fessier. Une des complications opératoires ou postopératoires communes d’une arthroplastie de la hanche est la fracture du GT. La réduction de cette fracture est compliquée par la traction des muscles abducteurs attachés sur le GT qui exercent des forces en concurrence avec son alignement. Certains auteurs soupçonnent que cette abduction produirait une traction et une rotation (dans le plan latéral) en direction postéro-antérieure (PA) lors de mouvements d’extension tels que le levé de siège ou la montée d’escalier.

Les implants actuels ont une approche très latérale et supérieure et ne bloqueraient pas suffisament le fragment fracturé du GT en direction PA. Un nouvel implant trochantérien (Y3) a été développé au centre de recherche de l’Hôpital du Sacré-Coeur de Montréal. En plus d’une plaque latérale classique, il se divise en forme de Y avec une branche antérieure et offre la possibilité de fixer l’os à l’aide de vis en plus de cerclages de câbles. Cet implant se distingue des techniques modernes de fixation du GT qui préconisent l’emploi de plaques fixées à l’aide de cerclages de câbles autour du fémur et du GT. L’utilisation actuelle de vis est pratiquement inexistante due aux petites dimensions du fragment du GT et de présence commune d’ostéoporose.

La problématique de cette étude biomécanique de la réduction trochantérienne s’articule autour de trois questions de recherche. Premièrement, les mouvements physiologiques d’extension de la jambe exerceraient des efforts en direction PA sur le fragment du GT fracturé et instrumenté, ce qui pourrait expliquer les taux élevés de complications postopératoires associées aux implants actuels. Les mouvements du GT qui résultent de ces efforts n’ont pas été caractérisés. Deuxièmement, la forme en Y de l’implant Y3 comporte une branche antérieure qui permettrait de réduire les mouvements PA du GT et possiblement ceux d’autres directions. Troisièmement, la fixation de l’implant à l’aide de vis sur le GT et le fémur n’a pas été étudiée. L’utilité de cerclages de câbles en addition ou en remplacement de ces vis reste aussi à explorer.

Deux bancs d'essais expérimentaux spécifiques simulant une extension de la jambe ont été développés pour répondre aux trois questions de recherche. Les deux protocoles utilisaient un montage expérimental similaire qui permettait d’effectuer un chargement qui activait les muscles abducteurs en direction PA (pour simuler la montée d’escalier) sur un GT fracturé et instrumenté. Deux réponses principales ont été mesurées. La migration (MIG) a été définie comme le mouvement résiduel du GT non chargé suite au chargement cyclique simulant la montée d’escalier par rapport à l'état initial. Le déplacement (DÉP) a été défini comme l'amplitude de mouvement entre les états déchargés et chargés à l’intérieur d’un même cycle. Le premier protocole était une étude appariée avec spécimens cadavériques alors que le second comportait un plan expérimental avec spécimens synthétiques. Le premier protocole associé aux deux premières questions de recherche (étude appariée) a été effectué sur 20 fémurs cadavériques (10 paires) pour comparer deux types de fixation : 1) un implant antérolatéral (AL) qui incluait une branche antérieure et 2) un implant latéral (L) sans branche antérieure. La variabilité biologique (dimension, forme et densité osseuse) était incluse dans cette partie. Aucune répétition n’a été effectuée pour un grand total de 20 essais. Le deuxième protocole était un plan expérimental complet à trois niveaux et deux facteurs (3² = 9 essais) qui permettait d’obtenir tous les effets principaux et les interactions quadratiques. Il avait comme objectif de vérifier les première et troisième questions de recherche. Une variation inter spécimen synthétique faible pour contrôler les paramètres anatomiques était possible. Avec deux répétitions, 27 essais en tout ont été effectués. Enfin, une étude complète de validation des 2 protocoles expérimentaux a été effectuée.

L’étude appariée sur spécimens cadavériques a démontré que la migration en translation a diminué de manière significative dans la direction PA (P = 0,02) lorsque l'implant antérolatéral (AL) avec branche antérieure a été utilisé. L'implant AL a également diminué de manière significative les rotations en MIG autour de l'axe supérieur (P = 0,01) et de l'axe latéral (P = 0,02). Les translations en déplacements (DÉP) ont également diminué significativement en directions PA (P = 0,04) et latérale (P = 0,03) lorsque le fragment du GT était fixé par l'implant AL. Les DÉP en rotation n'ont été significativement diminués qu’autour de l'axe supérieur (P = 0,04) lors de l'utilisation de l'implant AL.

Le plan expérimental sur spécimens synthétiques a démontré que la migration (MIG) du fragment du GT a été la réponse la plus affectée par la méthode de fixation. La variation de la fixation par cerclages de câbles seuls à vis à têtes bloquantes seules a montré une réduction très significative de la MIG en translation et rotation (tous les P << 0,01 sauf P = 0,66 pour la rotation autour de l’axe supérieur). La méthode de fixation sur la diaphyse a réduit significativement la translation supérieure lorsque les vis ont été utilisés (P << 0,01). Le déplacement (DÉP) a été également significativement réduit en variant la fixation par cerclages de câbles seuls à vis à têtes bloquantes seules, mais dans une moindre mesure (P << 0,01 pour la translation supérieure et rotation autour de l’axe PA et P = 0,01 pour la rotation autour de l’axe latéral ; tous les autres P > 0,07). La méthode de fixation de la diaphyse n'a montré aucune réduction significative de tous les DÉP. Aucune interaction significative n'a été trouvée entre la méthode de fixation du GT et de la diaphyse.

En conclusion, le fragment du GT a montré des mouvements multidirectionnels lors de l’extension de la jambe. L’implant latéral (L) a présenté une défaillance en rotation autour de l’axe supérieur et en translation PA. La branche antérieure a limité de façon significative cette défaillance. Enfin, l’ajout de cerclages de câbles a été bénéfique essentiellement sur la diaphyse lorsque les fixations par vis n’étaient pas réalisables. Pour la réduction de la fracture du GT, une plaque en forme de Y avec des branches latérale et antérieure fixées par vis à têtes bloquantes représente une alternative efficace aux chirurgies actuelles avec plaques latérales.

Résumé traduit

The greater trochanter (GT) serves as an anchor for several muscles, the most important one being the gluteus medius. A common operative or postoperative complication of a total hip arthroplasty is the fracture of the GT. The reduction of this fracture is complicated by the pull of the abductor muscles attached to the GT which exert forces in competition with its alignment. Some authors suspect that the abduction would produce posterior-anterior (PA)displacement and rotation (laterally) of the GT fragment during extension movements such as sit-to-stand or stair climbing.

Current implants present a lateral and superior approach and would not sufficiently block the fractured GT fragment towards the PA direction. A new trochanteric implant (Y3) was developed at the research center of the Sacré-Coeur Hospital in Montréal. In addition to the classic lateral plate, it splits into a Y-shape with an anterior branch and offers the possibility to fix the bone with locking head screws or with cable cerclages. Modern techniques of GT fixation advocate the use of plates fastened with cable cerclages around the femur and GT. Actually, the use of screws is virtually nonexistent due to the small size of the GT fragment and the common presence of osteoporosis.

The problematic of this biomechanical study of trochanteric reduction revolves around three research questions. First, the physiological movements of leg extension exert efforts towards the PA direction on the GT fragment fractured and instrumented, which could explain the high rate of postoperative complications associated with current implants. GT movements resulting from these efforts have not been characterized. Secondly, the Y shape of the Y3 implant has an anterior branch that would reduce the PA movements of the GT and possibly those of other directions. Thirdly, the fixation of the implant by locking head screws in the shaft bone and the GT has not been studied. The usefulness of cable cerclages in addition to or in replacement of these screws also remains to be explored.

Two specific experimental test beds simulating a hip extension were developed in order to address the three research questions. Both protocols used a similar experimental setup that applied a load to activate the abductors towards the PA direction (simulating stair climbing) on a fractured and instrumented GT. Two main responses were measured. Migration (MIG) was defined as the residual GT movement after cyclic stair climbing movement compared to the initial state. Displacement (DISP) was defined as the amplitude of movement between unloaded and loaded states within a single cycle. The first protocol was a paired study with cadaveric specimens, while the second involved an experimental plan with synthetic specimens. The first protocol associated with the first two research questions (paired study) was performed on 20 cadaveric femurs (10 pairs) to compare two types of fixation: 1) an antero-lateral (AL) implant which includes an anterior branch and 2) a lateral (L) implant without any anterior branch. Biological variability (size, shape and bone density) was included in this section. No recurrence has been made for a total of 20 trials. The second protocol was a complete experimental design with two factors at three levels (3 ² = 9 trials) allowing to estimate all main effects and quadratic interactions. It aimed to verify the first and third research questions. A small variation along synthetic specimens permitted to control the anatomical parameters. With two repetitions, a total of 27 trials were conducted. Finally, a comprehensive validation study of the two experimental protocols was performed.

The paired study on cadaveric specimens showed that migration in translation decreased significantly in the PA direction (P = 0,02) when the antero-lateral (AL) implant with the anterior branch was used. The AL implant also significantly decreased rotational MIG around the superior axis (P = 0,01) and the lateral axis (P = 0,02). Translational DISP also declined significantly in the PA (P = 0,04) and lateral directions (P = 0,03) when the GT fragment was fixed with the AL implant. Rotational DISP was significantly reduced around the superior axis (P = 0,04) when using the AL implant.

The experimental design using synthetic specimens showed that the GT fragment MIG was the most affected by the fixation method. Varying the fixation from cable cerclages only to locking head screws only showed a very significant reduction in translational and rotational MIG (all P << 0,01 except P = 0,66 for the rotation around the superior axis). The bone shaft fixation method significantly reduced the superior translation when screws were used (P << 0,01). DISP was also significantly reduced by varying the fixation from cable cerclages only to locking head screws only, but to a lesser extent (P << 0,01 for superior translation and rotation around the PA axis and P = 0,01 for rotation around the lateral axis; all other P > 0,07). The bone shaft fixation method showed no significant reduction of all DISP. No significant interaction was found between the GT and bone shaft fixation methods.

In conclusion, the GT fragment underwent multidirectional movements during hip extension. The lateral (L) implant failed in rotation around the superior axis and in PA translation. The anterior branch significantly limited this failure. Finally, adding cable cerclages is recommended only on the bone shaft when screw fixations are unachievable. For the reduction of the fractured GT, a Y-shaped plate with lateral and anterior branches attached with locking head screws is an effective alternative to current surgical procedures with lateral plates.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 101-110.
Mots-clés libres: Prothèses de hanche. Plaques (Ostéosynthèse). Fémur Fractures. Arthroplastie de la hanche. Biomécanique. grand, implant, réduction, trochanter, trochantérien, fracture du grand trochanter, plaque autobloquante, montée d’escalier cyclique, chargement dynamique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Laflamme, Yves
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 mai 2014 14:42
Dernière modification: 08 mars 2017 22:17
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1259

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