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Development and prevalidation of a measurement tool for the pivot shift phenomenon of the knee

Labbé, David (2010). Development and prevalidation of a measurement tool for the pivot shift phenomenon of the knee. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La rupture du ligament croisé antérieur (LCA) est une des blessures sportives les plus fréquentes. Le LCA est essentiel pour la stabilité du genou; ses fonctions principales sont de limiter la translation antérieure et la rotation interne du tibia par rapport au fémur. Lorsqu’une rupture survient, le genou montre une laxité accrue et une instabilité rotatoire. Durant les activités quotidiennes, cette instabilité résulte souvent en un sentiment de glissement où les patients ont l’impression que leur genou cède sous leur poids.

Les tests cliniques traditionnels mesurent la laxité du genou. Cette laxité est utile pour diagnostiquer une rupture mais ne donne aucune information relative à l’état fonctionnel du genou. Le test du pivot shift est un test clinique qui reproduit l’instabilité rotatoire et lui attribue un grade. Il s’agit du seul test qui corrèle avec des critères subjectifs de l’état fonctionnel du genou tels que la satisfaction du patient, son retour à l’activité physique et le nombre de fois que son genou cède. Ce test est gradé selon l’interprétation du clinicien et suivant une échelle subjective, ce qui le rend peu fidèle, particulièrement pour des cliniciens moins expérimentés. Actuellement, il n’existe aucune méthode objective d’attribuer le grade du pivot shift. L’objectif de cette thèse était donc de développement une telle méthode subjective pour attribuer le grade à partir d’un enregistrement de la cinématique du genou.

Pour ce faire, nous avons développé un système pour fixer des capteurs électromagnétiques au membre inférieur et enregistrer la cinématique du genou des sujets pendant le test du pivot shift. Deux protocoles d’acquisition de données s’en sont suivis. Dans le premier, trois orthopédistes ont chacun exécuté le test du pivot shift sur douze sujets et ont subjectivement gradé le pivot shift produite. L’objectif de cette phase était de développer une méthode capable de diminuer la variabilité introduite dans les enregistrements par le geste des cliniciens. Dans la seconde phase, 53 sujets additionnels ont été évalués par un de huit orthopédistes différents. Les grades attribués par les orthopédistes ont servis de gold standard pour l’analyse subséquente. L’analyse par composantes principales (ACP) a été utilisée pour déterminer quelles caractéristiques cinématiques expliquent la plus grande partie de la variabilité entre les enregistrements. À partir de ces caractéristiques, un classificateur de type machine à vecteurs de support (MVS) a été développé pour automatiquement attribuer le grade du pivot shift.

Les résultats ont montré que la variabilité entre les enregistrements des différents cliniciens peut être diminué de 20%, en moyenne, en utilisant la vitesse de flexion appliquée par chaque clinicien. Cette diminution permet des différences significatives entre les différents grades de pivot shift pour plusieurs caractéristiques cinématiques. L’analyse par ACP a montré que la translation est la composante la plus importante du pivot shift et que son accélération et sa vitesse sont plus importantes que son amplitude. En utilisant les caractéristiques les plus importantes, le classificateur MVS a obtenu une concordance substantielle avec les cliniciens. Quatre-vingt quinze pourcent des enregistrements ont été classifiés à un garde ou moins de celui attribué par le clinicien.

Cette thèse a démontré que les caractéristiques les plus importantes du pivot shift ne sont pas ceux qui ont traditionnellement fait l’objet d’études quantitatives. Elle a aussi démontré la faisabilité d’attribuer objectivement le grade du pivot shift à partir d’un enregistrement de la cinématique du genou.

Titre traduit

Développement et pré-validation d'un outil de mesure du phénomène de pivot shift dans l'articulation du genou

Résumé traduit

Rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) is one of the sports injuries with the highest incidence. The ACL is essential to knee joint stability; it’s function is to limit anterior subluxation and internal rotation of the tibia relative to the femur. When a rupture occurs, the knee joint presents increased laxity and a rotational instability. During daily activities, this instability often results in a feeling that the knee is slipping, or giving way.

Traditional clinical tests measure the increase in knee laxity. Such measures are useful for diagnosing a rupture but they give no indication of the impact of the rupture on knee joint function. The pivot shift test is a clinical test that reproduces and grades the rotational instability following ACL-rupture. It is the only test that has been shown to correlate to subjective criteria of knee joint function such as patient satisfaction, return to physical activity and episodes of giving way. The pivot shift test is graded based on the clinician’s interpretation of a subjective scale, rendering it poorly reliable, especially in the hands of a less experienced clinician. There is currently no objective method for grading the pivot shift.
The objective of this thesis was therefore to develop such an objective method to attribute the grade based on recorded knee joint kinematics.

To do so, we first developed a system to attach electromagnetic sensors to the lower limb and record the knee joint kinematics of subjects during the pivot shift test. Two separate data acquisition protocols ensued. In the first, three orthopaedic surgeons each performed the test on twelve different subjects and subjectively graded the pivot shift they produced. The aim of this phase was to develop a method capable of diminishing the variability introduced in the recordings by the clinicians’ gestures. In the second phase, an additional 53 subjects were evaluated by one of eight different surgeons. The subjective grades they attributed were used as a gold standard for data analysis. Principal component analysis (PCA) was used to determine which features of the kinematics explain most of the variability between recordings. Using these features, a support vector machine (SVM) based classifier was developed to automatically attribute the pivot shift grade.

The results showed that the variability between clinicians could be diminished by an average of 20% using the velocity of flexion applied by the evaluating clinician. This yielded significant differences between the pivot shift grades for many kinematic parameters. The ACP analysis showed that translation is the most important component of the pivot shift and that its velocity and acceleration are more important than its actual amplitude. Using the most important features, the SVM-based classifier obtained substantial agreement with the clinicians, with 95% of the recordings being classified within one grade of the clinician’s attribution.

This thesis has shown that the most important kinematic features of the pivot shift are not those that have traditionally been the focus of quantitative studies. It has also demonstrated the feasibility of objectively attributing the pivot shift grade based on a recording of its kinematics.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor in engineering". Bibliogr : f. [159]-168.
Mots-clés libres: Genou. Ligament croisé antérieur du genou. Cinématique. articulation, classification, grade, instabilité, mesure, outil, pivot, shift
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hagemeister, Nicola
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
De Guise, Jacques A.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 24 août 2010 14:58
Dernière modification: 07 févr. 2017 21:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/272

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