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Étude expérimentale et numérique d'arthroplasties totales anatomiques de l'épaule

Sins, Lauranne (2014). Étude expérimentale et numérique d'arthroplasties totales anatomiques de l'épaule. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Plus de 15% des opérations de prothèses totales non-conformes d’épaule (NC-TSA) conduisent à des complications, 40% d’entre elles concernant un descellement glénoïdien caractérisé par la perte de fixation de l’implant. Ce problème semble lié aux petites translations de la tête prothétique ainsi qu’aux contraintes appliquées sur l’implant glénoïdien. Ces deux aspects sont influencés entre autres par la différence de rayons de courbure tête-glène (mismatch) et une rupture des muscles de la coiffe des rotateurs. Toutefois, la compréhension des mécanismes en jeu est limitée, notamment du fait de l’absence d’outils biomécaniques adaptés à ce contexte. L’objet de ce projet était donc le développement d’outils expérimental et numérique permettant de quantifier les translations de la tête humérale et le contact tête - glène afin d’évaluer le risque de descellement glénoïdien lors d’une tâche dynamique d’élévation du bras.

Dans un premier temps, un montage expérimental permettant de réaliser une abduction avec rythme scapulo-huméral d’un bras entier est décrit. Celui-ci permet notamment de mesurer les translations de la tête humérale au cours du mouvement. Il a en outre été utilisé afin d’apporter une preuve de concept d’un nouveau design d’implant destiné à réduire le risque de descellement glénoïdien.

Dans un second temps, un modèle musculosquelettique par dynamique inverse de l’épaule est présenté. Il a été développé au moyen du logiciel AnyBodyTM et permet de réduire les limitations liées aux choix de modélisation jusqu’alors utilisés. En particulier, l’articulation glénohumérale couramment modélisée par une liaison sphérique à trois degrés de liberté (DdLs) a été remplacée au profit d’une articulation ponctuelle à 5 DdLs. Pour ce faire, l’algorithme force dependent kinematics a été implémenté, donnant ainsi accès à la mesure des translations de la tête humérale au cours d’un mouvement d’abduction. Par ailleurs, le contact entre les implants a été ajouté, permettant l’estimation, jusqu’alors impossible dans de tels modèles, de l’évolution du centre de pression (COP) et de la surface de contact au cours du mouvement.

Cet outil numérique permettra de répondre à des questions cliniques en lien avec les NC-TSA. Il a d’ailleurs déjà été utilisé au cours de ce doctorat et a mis en avant que le mismatch optimum serait de l’ordre de 3.4mm, puisqu’il conduit à des translations de la tête humérale minimales et une surface de contact maximale. Un autre enseignement est qu’une rupture du subscapulaire implique une modification du déplacement du COP au cours du mouvement.

Titre traduit

Experimental and numerical analysis of anatomical total shoulder arthroplaties

Résumé anglais

More than 15% of non-conforming total shoulder arthroplasties (NC-TSA) lead to complications ; 40% of them are related to glenoid loosening characterized by loss of implant fixation in bone. This problem seems to be related to small prosthetic head translations and the stresses on the glenoid implant. Both are influenced by various factors such as prosthetic mismatch or rotator cuff tear. However, the lack of biomechanical tools adapted to the NC-TSA context makes the knowledge of implied behaviour difficult. The topic of this thesis was the development of experimental and numerical tools to quantify humeral head translations as well as contact between head and glenoid components to evaluate glenoid loosening risk during a dynamic arm elevation.

As a first step, an experimental device simulating abduction with scapulo-humeral rhythm of an entire arm is described. This device allows measuring humeral head translation during movement. It has been used to provide a proof of concept of a new glenoid implant designed to reduce the glenoid loosening risk.

As a second step, a new inverse dynamic musculoskeletal shoulder model is detailed. It was developed with the AnyBodyTM software and allows reducing the limitations of previous numerical choices. Especially, the commonly modeled three degrees of freedom (DoF) glenohumeral joint was replaced by a five DoF joint. To do so, the force dependent kinematic algorithm was used, enabling estimation of humeral head translations during abduction movement. Moreover, contact between implant was added, allowing computation of center of pressure (COP) and contact area, that was unable until now.

This numerical tool will allow answering clinical questions linked to NC-TSA. It has already been used during this PhD project and showed that an optimum mismatch would be of the order of 3.4mm since correlated to smaller humeral head translations and larger contact area. Furthermore, a subscapularis tear seems to conduct to a modification of the COP displacement during movement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 169-191.
Mots-clés libres: Articulation scapulohumérale Lésions et blessures Diagnostic. Arthroplastie de l'épaule Complications et séquelles. Articulation scapulohumérale Modèles mathématiques. Prothèses d'épaule. Implants orthopédiques. descellement, glénoïdien, épaule, prothèse totale, modèle numérique musculosquelettique, dynamique inverse, montage expérimental, in-vitro
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hagemeister, Nicola
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Tétreault, Patrice
Nuño, Natalia
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 nov. 2014 16:18
Dernière modification: 25 nov. 2014 16:18
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1396

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