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Estimation par optimisation multi-corps de la cinématique 3D de genoux sains et arthrosiques au cours d'accroupissements : performance de modèles articulaires personnalisés

Clément, Julien (2015). Estimation par optimisation multi-corps de la cinématique 3D de genoux sains et arthrosiques au cours d'accroupissements : performance de modèles articulaires personnalisés. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Il existe un manque de consensus au sujet des mouvements du genou. Aucune des méthodes utilisées pour analyser la cinématique 3D du genou n’est acceptée de façon unanime par la communauté scientifique. Ces dernières présentent en effet des limites, soit en termes d’applicabilité en routine clinique, soit en termes de compensation des artéfacts des tissus mous (ATM). L’objectif principal de ce projet de doctorat consiste donc à améliorer l’évaluation fonctionnelle du genou en proposant une méthode de mesure de la cinématique 3D qui soit à la fois précise, non invasive et peu irradiante. Cette méthode fait intervenir le système de captation du mouvement KneeKG™, la méthode d’optimisation multi-corps (MBO), et le système de radiographie biplan EOS®.

Premièrement, les ATM affectant les mesures du KneeKG™ au cours d’accroupissements sous charge effectués par des sujets sains et arthrosiques ont été quantifiés à l’aide d’EOS®. L’impact de ces ATM sur la cinématique 3D du genou des sujets a ensuite été évalué. Cette étude montre que les ATM du KneeKG™ oscillent entre 3-9° et 5-13 mm, et qu’ils engendrent des erreurs de l’ordre de 9-10° et 7-10 mm au niveau de la cinématique 3D du genou. Deuxièmement, les accroupissements dynamiques et quasi-statiques effectués par les sujets ont été comparés en termes de cinématique 3D, de cinétique 3D et d’électromyographie des membres inférieurs. Cette étude montre que les deux conditions d’accroupissement sont similaires. Les différences cinématiques observées au genou sont inférieures à 1,5° et 1,9 mm. Troisièmement, les performances de huit combinaisons de modèles articulaires utilisées lors de la MBO pour compenser les ATM du KneeKG™ ont été évaluées. Cette étude montre qu’aucune des combinaisons actuelles n’est idéale pour corriger l’ensemble de ces ATM. Les erreurs de mesures résiduelles atteignent 13° et 7 mm après correction. Quatrièmement, des modèles personnalisés du genou ont été développés à partir de modèles 3D des os issus d’EOS®. Utilisés lors de la MBO, ces modèles personnalisés s’avèrent les plus efficaces pour corriger les ATM du KneeKG™. Les erreurs résiduelles oscillent entre 2-6° et 2-4 mm pour les rotations et déplacements des genoux sains et OA. Cinquièmement, la méthode de mesure développée a été mise à profit pour proposer une méthode de fusion de la géométrie 3D et de la cinématique 3D du genou, et ainsi calculer les surfaces de contact articulaires du genou. Les résultats obtenus par cette étude sont prometteurs.

En conclusion, la combinaison du KneeKG™, de la MBO et du système EOS® a permis d’obtenir une méthode quantifiant de manière relativement précise, non invasive et peu irradiante la cinématique 3D de genou sains et OA au cours d’accroupissements dynamiques.

Titre traduit

3D kinematic anlaysis of healthy and osteoarthritic knee during squat with mulit-body optimisation : performance of subject-specific joint models

Résumé traduit

There is currently a lack of consensus about the movements of the knee joint. None of the methods used to analyze 3D knee kinematics is unanimously accepted by the scientific community. These methods are limited in terms of applicability in clinical practice, or in terms of soft tissue artifacts (STA) compensation. The main objective of this PhD project is to improve the functional evaluation of the knee by proposing an accurate, non-invasive and low irradiating method for measuring 3D knee kinematics. This method involves the motion capture KneeKG™ system, the multi-body optimization method (MBO), and the biplane radiographic EOS® system.

First, STA of the KneeKG™ were quantified with the EOS® system during weight bearing squats performed by healthy and osteoarthritic subjects. The impact of these STA on the 3D knee kinematics were evaluated. This study shows that STA of the KneeKG™ were about 3-9° and 5-13 mm, and that they generate knee kinematic errors in the range of 9-10° and 7-10 mm. Second, the dynamic and quasi-static squats performed by the subjects were compared in terms of 3D kinematics, 3D kinetics, and electromyography of the lower limbs. This study shows that the two squatting conditions are similar. The knee kinematic differences are less than 1.5° and 1.9 mm. Third, the performance of eight combinations of joint models used in MBO to compensate for STA of the KneeKG™ were evaluated. This study shows that none of the eight combinations is ideal for correcting all the STA of the KneeKG™. Knee kinematics errors are about 13° and 7 mm after MBO. Fourth, subjectspecific knee joint models were developed from the 3D bone models derived from EOS®. These subject-specific joint models used in MBO are the most effective to correct the STA of the KneeKG™. Measurement errors are in the range of 2-6° and 2-4 mm for rotations and displacements of healthy and osteoarthritic knees. Fifth, the measurement method was used to merge the 3D kinematics and the 3D geometry of the knee, and to calculate the surface contact of the knee. Results from this study are promising.

In conclusion, the combination of the KneeKG™ system, the MBO, and the EOS® system has resulted in a relatively accurate, non-invasive and low irradiating method for measuring the 3D knee kinematics during dynamic squats performed by healthy and osteoarthritic subjects.

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 191-208.
Mots-clés libres: Genou. Cinématique. Genou Mouvements Modèles mathématiques. Arthrose. Géométrie. cinématique 3D, artéfacts des tissus mous, optimisation multi-corps, modèles articulaires personnalisés, accroupissement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
De Guise, Jacques A.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Hagemeister, Nicola
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 23 avr. 2015 16:30
Dernière modification: 14 mars 2017 19:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1464

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