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Étude cinématique tridimensionnelle de la phase d'appui chez le chien : validation d'un montage expérimental

Jaafar, Emna (2009). Étude cinématique tridimensionnelle de la phase d'appui chez le chien : validation d'un montage expérimental. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La rupture de ligament croisé crânial est la principale cause de boiterie du membre pelvien chez le chien. La récupération incomplète des patients suite aux chirurgies correctives de cette déficience suggère que, malgré l’éventail des techniques chirurgicales disponibles, aucune ne semble restaurer la fonction normale du genou. Depuis plusieurs décennies, les études in vitro ont gagné de la popularité du fait que les expériences se déroulent dans un environnement contrôlé, qu’elles sont éthiquement plus acceptables et qu’elles s’affranchissent des difficultés des études in vivo. Cependant, la majorité des études in vitro proposent soit une analyse statique, en deux dimensions, du genou canin soumis à une faible charge, soit une simulation des exercices isocinétiques tels que l’accroupissement et la montée d’escaliers.

Le but de ce projet est de valider un montage expérimental simulant la cinématique 3D lors de la phase d’appui au sol d’un membre arrière canin soumis à une charge physiologique. Nos hypothèses sont comme suit : 1) Les mesures de la cinématique 3D, générées par le montage, sont comparables aux valeurs de la cinématique 3D de genoux sains et de genoux souffrants d’une rupture du ligament croisé crânial, rapportées dans la littérature in vivo 3D; 2) Les forces verticales de réaction au sol générées lors de la mise en charge du membre sont les mêmes que celles rapportées dans la littérature lors de la phase d’appui à la marche; 3) Le montage permet des mesures de la cinématique 3D et des forces verticales de réaction au sol répétables.

Le bâti est modélisé par un outil CAO et fabriqué en bois et en aluminium. Les articulations du pelvis et du tarse sont modélisées puis fabriquées par prototypage rapide. Ces pièces autorisent certains degrés de liberté et servent de support pour l’insertion du tibia au tarse artificiel et du fémur au pelvis artificiel. Le mouvement est généré par un vérin linéaire et un moteur rotatif contrôlant, respectivement, la translation crânio-caudale et la flexion/extension du tarse. Un système de marque Optotrak 3020 mesure les déplacements 3D internes au genou. Un capteur de forces mesure les forces de réaction au sol. Six membres pelviens (droits et gauches), sans tarse, de chiens de grande race sont utilisés. Les membres sont préparés, installés dans le montage et soumis à une charge appliquée sur l’articulation artificielle de la hanche.

Les données enregistrées pendant les simulations démontrent une variabilité intra-spécimens inférieure à 0.8° et à 0.7mm pour, respectivement, les rotations et les translations, comparativement à 5.8° et 1.3mm pour la variabilité inter-spécimens. La comparaison des courbes moyennes du mouvement enregistrées à celles de la littérature in vivo révèle une similarité dans la forme des courbes. L’amplitude de ces courbes est, par contre, inférieure aux courbes in vivo. Le pic des forces verticales de réaction au sol enregistrées (46% du poids du chien) est aussi comparable à celui rapporté dans la littérature in vivo. Les données enregistrées pendant les simulations sur un genou canin avec une rupture du ligament croisé crânial démontrent une augmentation moyenne de la flexion (4°), de l’abduction (2°), de la rotation interne (3°), de la translation crâniale (4mm), médiale (2mm) et proximale (3mm) du tibia. Ces changements sont similaires à ceux rapportés in vivo.

Les résultats démontrent que le montage permet de reproduire de façon fiable la cinématique d’un genou canin sain et après rupture du ligament croisé crânial comme rapporté dans la littérature in vivo.

Titre traduit

Three-dimensionel kinematics evaluation of the canine stance phase: validation of an experimental model

Résumé traduit

Rupture of the cranial cruciate ligament is the most common orthopaedic condition afflicting dogs. Due to incomplete recovery of the operated limb and the progression of osteoarthritis, many surgical techniques do not seem to restore normal stifle kinematics. In the past years, the use of in vitro models simulating weight bearing has gained popularity, because they limit variation, are more ethically acceptable and overcome the problematic of using in vivo models. Most of these in vitro models propose either a static two dimensional analysis of the canine stifle under low static loads, or they simulate rather isokinetic exercises, such as crouching or stair-climbing.

Our goal was to design and to validate an experimental device simulating 3D kinematics during the stance phase of gait on dog cadaver hind limbs under near physiologic conditions. Our hypotheses are as follows: 1) 3D Kinematics, generated by the model, are representative of normal and ruptured cranial cruciate ligament kinematics reported in the 3D in vivo literature; 2) Vertical ground reaction forces generated by the loaded limbs in the device will be similar to those recorded in the literature for a normal walking dog during stance phase; 3) The model allows reliable measurements of 3D kinematics and vertical ground reaction forces.

Frame is modelled using a CAD tool and is manufactured out of wood and aluminum. Hip and tarsus joints are modelled and fabricated by rapid prototyping. These parts permit six degrees of freedom and are used as a support for the insertion of the tibia into the artificial tarsus and the femur into the artificial pelvis. The gait is simulated with a computerized sequence using a linear actuator and a rotational motor inducing the artificial ankle’s anterior-posterior and flexion/extension, respectively. An Optotrak 3020 motion tracking system measured 3D stifle displacements. A load cell measures ground reaction forces. Six paired (left and right) hind limbs, with no tarsus, of large breed dogs are used. Limbs are prepared, mounted on the device and loaded to the artificial hip joint.

Data recorded during simulations highlights average intra-specimens variability less than 0.8° and 0.7mm for the rotations and translations of the stifle respectively, compared with 5.8° and 1.3mm for the inter-specimens variability. The comparison of the six average curves of motion collected on the tested stifles to those from in vivo trials reveals similar patterns in every case. However, amplitude is slightly greater on in vivo curves. Peak vertical forces measured in the device (46% of body weight) were also similar to in vivo trials reported in the literature. Data recorded during simulations in the cranial cruciate ligament deficient stifle highlights an increase in flexion (4°), abduction (2°), internal rotation (3°), cranial translation (4mm), medial translation (2mm) and proximal displacement (3mm) of the tibia. These changes are similar to those reported in vivo.

Results show that the device generates reliable motion on a loaded limb which is representative of normal and ruptured cranial cruciate ligament kinematics reported in the 3D in vivo literature.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie". Bibliogr : f. [158]-169.
Mots-clés libres: Chiens. Genou. Ligaments croisés. appui, canin, cinematique, experimental, force, genou, montage, phase, reaction, sol, tridimentionnel, validation, in vitro
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hagemeister, Nicola
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 18 août 2010 12:54
Dernière modification: 06 janv. 2017 02:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/57

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