UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES
Faculté de Médecine
__________________________________________________
Etude des répercussions de déviations planaires du fémur sur la biomécanique fémoro-tibiale.
Contribution expérimentale.
Par
Stéphane Sobczak
Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences Biomédicales et Pharmaceutiques
Sous la direction de
Monsieur le Professeur Marcel Rooze
Laboratoire d’Anatomie, Biomécanique et Organogenèse (LABO)
Année académique 2011-2012
Savoir ce que tout le monde sait, c'est ne rien savoir.
Le savoir commence là où commence ce que le monde ignore.
Rémy de Gourmont, 1925
Composition du jury Experts internes
Professeur P.-A. Gevenois – Président Professeur M. Rooze - Secrétaire Professeur L. Fabeck
Professeur A. Madani Professeur F. Schuind
Experts externes Professeur J.-P. Clarys
Département d’Anatomie Expérimentale, Faculté d’Education Physique et de Kinésithérapie, Vrije Universiteit Brussel (VUB), Belgique.
Professeur F. Duparc
Département d’Anatomie, Faculté de Médecine et de Pharmacie, Université de Rouen, France.
Remerciements
Je voudrais remercier spécialement Monsieur le Professeur Marcel Rooze, mon directeur de thèse, pour son soutien et surtout pour son intérêt sincère à mes travaux de recherche. Je le remercie également de m'avoir accueilli au sein de son laboratoire et de m'avoir laissé, par cette occasion, m’épanouir à la recherche et à l’enseignement universitaire.
Je tiens à remercier vivement Madame le Professeur Véronique Feipel, pour son soutien surtout lors des moments difficiles. Merci aussi pour la relecture des manuscrits et de ce travail de thèse mais aussi pour tes bonnes idées. Tu apportes toujours des solutions aux problèmes rencontrés...
Je tiens aussi à remercier le Professeur Stéphane Louryan pour sa gentillesse, son soutien et la confiance qu’il me témoigne dans la vie quotidienne au sein du laboratoire.
Je tiens à remercier l’ensemble de mes collègues pour leur soutien et la confiance qu’ils m’ont témoignés ainsi que leur aide dans la réalisation de mes travaux et plus particulièrement :
Merci à toi Patrick, pour ton habilité dans la programmation, pour le temps passé à la réflexion du design du traitement des données mais aussi pour la maturité scientifique acquise à tes côtés.
Merci à toi Serge, pour ton soutien et pour les relectures ‘parfois difficiles’ des manuscrits que je te soumets. Ne t’en fais pas, je compte encore bien m’améliorer.
Merci à toi Pierre-Michel, mon ami. Merci pour ton aide statistique, ta réflexion, ta logique et surtout pour les bons moments passés ensemble dans la vie extra-universitaire.
Merci d’être à mes côtés quand j’en ai besoin et j’espère que nos recherches communes futures feront avancer la science.
Merci à toi Philippe, pour les corrections apportées à ce travail et pour ton soutien tout au long de ce travail. Espérons que nous pourrons encore travailler dans le même bureau de nombreuses années.
Je tiens à remercier aussi Céline et Jérome pour m’avoir permis de finaliser la rédaction de ce travail en me déchargeant d’une partie de mes activités pédagogiques.
Sachez que lorsque vous terminerez votre thèse, vous pourrez compter sur moi pour reprendre une partie de votre charge d’enseignement.
Je tiens aussi à remercier Benjamin Gilbert, Nicolas pouzineau, Guillaume Lansot, Bruno Baillon et Philippe Rotsaert pour leur aide précieuse dans la réalisation de ce travail.
Je tiens à remercier monsieur Freddy Dupuis, du service des ondes et signaux de la Faculté des Sciences Appliquées de l’ULB pour le développement et la construction des modules de jauges de déformation.
Je tiens également à remercier nos techniciens Jean-Louis, Hakim, Paul et Sonia pour leur aide lorsque nous avions besoin d’eux. J’aimerai remercier plus particulièrement Monsieur Emile Godefroid, surtout lors des derniers moments, pour avoir mis à ma disposition les membres inférieurs nécessaires à la finalisation de ce travail.
Je remercie également le personnel administratif, Catherine et Marie pour leur aide et leur soutien tout au long de ce travail.
Je tiens à remercier le Professeur Jean-Paul Ryckaert du laboratoire de physique de la matière molle de la Faculté des Sciences pour son aide apportée dans la vérification du développement de la méthode par jauge de déformation.
Je tiens à remercier le Professeur Frédéric Schuind, chef de service du département d'Orthopédie et de Traumatologie du CHU Erasme pour son aide logistique et sa collaboration à la thèse annexe.
Je tiens à remercier le Professeur Maurice Hinsenkamp pour nous avoir donné accès à la presse hydraulique ‘MTS’ pour mener à bien certaines de nos expérimentations.
Mes remerciements s'adressent également au Professeur Pierre-Alain Gevenois pour nous avoir permis d’utiliser le CT-scanner Facultaire.
Je tiens à remercier les membres du Jury qui ont accepté la lecture et l’évaluation de ce travail.
J’aimerais également remercier l’ensemble des enseignants que j’ai côtoyés tout au long de mon apprentissage universitaire et qui m’ont donné l’envie de faire de la recherche.
Je remercie ma mère pour m’avoir ‘guidé’ dans mes études secondaires et m’avoir permis d’entreprendre des études universitaires. Je remercie l’ensemble de ma famille et belle-famille pour leur soutien tout au long de ces années.
Mes plus vifs remerciements vont à mon Epouse pour ses corrections, sa patience tout au long de ce travail et sa compréhension lors de la ligne droite finale devant ce travail titanesque. J’aimerai lui dire aussi que sans elle, ce travail n’aurait pas pu voir le jour.
Merci aussi à ma petite fille Elena, qui ne peut encore se rendre compte du travail accompli mais qui m’a permis de pouvoir penser à autre chose de temps en temps.
Je dédie cette thèse à ceux qui nous ont quittés trop tôt pour voir l’aboutissement de toutes ces années de travail et particulièrement à mon père qui aurait été fier de mon parcours universitaire.
Table des matières
Résumé ... 21
Introduction générale... 23
Chapitre I : Alignement du membre inférieur... 29
I.1 Alignement normatif du membre inférieur ...29
I.1.1 Croissance du membre inférieur jusqu’à l’âge adulte...29
I.1.1.1 Angle fémoro-tibial ...30
I.1.1.2 Antétorsion fémorale...31
I.1.1.3 Torsion tibiale...38
I.1.1.4 Conclusion ...42
I.1.2 Axes du membre inférieur...44
I.1.2.1 Axe mécanique du membre inférieur...45
I.1.2.1.1 Dans le plan frontal ...45
I.1.2.1.2 Dans le plan sagittal...57
I.2 Alignement pathologique du membre inférieur ...62
I.2.1 Introduction ... 62
I.2.2 Gonarthrose et défaut d’alignement ...62
I.2.2.1 La gonarthrose ...62
I.2.2.2 Défaut d’alignement dans le plan frontal...64
I.2.2.3 Défaut d’alignement dans le plan sagittal...68
I.2.2.4 Défaut d’alignement dans le plan transversal ...70
I.4 Bibliographie ...73
Chapitre II : Méthode d’analyse des contraintes articulaires, de la cinématique articulaire et des bras de levier musculaires ... 77
II.1 Introduction ...77
II.2 Contraintes articulaires...77
II.2.1 Aires de contact ...77
II.2.1.1 Méthodes utilisées pour la détermination des aires de contact ...77
II.2.1.2 Aire de contact suivant le degré de flexion du genou...78
II.2.1.3 Synthèse ...86
II.2.2 Pressions intra-articulaires...87
II.2.2.1 Distribution des pressions ...88
II.2.3 Objectivation expérimentale des ostéotomies du membre inférieur sur les aires de contact et les pressions fémoro-tibiales ...90
II.3 Etude de la cinématique articulaire...94
II.3.1 Instruments de mesure utilisés pour l’analyse du mouvement...94
II.3.1.1 La radiostéréométrie ...94
II.3.1.2 Les systèmes vidéo...95
II.3.1.3 La stéréophotogrammétrie optoélectronique ...95
II.3.1.4 Systèmes acoustiques...96
II.3.1.5 Systèmes (électro)magnétiques...96
II.3.1.6 Méthode goniométrique...96
II.3.1.6 Méthode gyroscopique et accélérométrique ...98
II.3.2 Paramétrisation d’une matrice de rotation ...99
II.3.3 Cinématique de l’articulation fémoro-tibiale ...100
II.3.4 Objectivation expérimentale des ostéotomies du membre inférieur sur la cinématique fémoro-tibiale...108
II.4 Etude des bras de levier musculaires ...109
II.4.1 Méthodes indirectes pour la détermination des bras de leviers musculaires ...109
II.4.1.1 Méthode géométrique...109
II.4.1.2 Méthode par excursion tendineuse ...110
II.4.1.2.1 Modèles expérimentaux et mesure du Bdl ...110
II.4.2 Méthode directe pour la détermination des bras de levier musculaires...111
II.4.3 Expression du bras de levier musculaire...112
II.4.4 Bras de levier des muscles moteurs du segment jambier ...113
II.4.5 Objectivation expérimentale des ostéotomies du membre inférieur sur la modification des bras de levier musculaires...117
II.5 Bibliographie ...118
Chapitre III : Utilisation de jauges d’extensométrie à l’étude des contraintes osseuses ... 123
III.1 Les jauges d’extensométrie ...123
III.1.1 Introduction ...123
III.1.2 La jauge d’extensométrie [Murray and Miller, 1992] ...125
III.1.2.1 Caractéristiques recherchées des jauges d’extensométries...125
III.1.2.2 Considérations générales ...126
III.1.2.2.1 Principe de base ...126
III.1.2.2.2 Définition de la ‘sensitivité’ de jauge (Sj)...126
III.1.2.2.3 Déformation élastique dans le métal ...127
III.1.2.2.4 Déformation plastique dans le métal...127
III.1.2.2.5 Propriétés de certains métaux ...128
III.1.2.2.6 Matériaux semi-conducteurs ...129
III.1.2.2.7 Valeurs numériques du facteur de sensitivité de jauge ...129
III.1.2.2.8 Mesure de la déformation ()...130
III.1.2.3 Types de jauges d’extensométrie ...131
III.1.2.3.1 ‘Wire strain gages’ jauges de contrainte à fil...131
III.1.2.3.1.1 ‘The unbonded wire strain gages’...131
III.1.2.3.1.2 ‘The bonded wire strain gages’...131
III.1.2.3.2 ‘Foil strain gages’ jauges de contrainte à feuille métallique...131
III.1.2.3.3 Autres types de jauges ...132
III.1.2.4 Fonctionnement électrique des jauges d’extensométrie...132
III.2 Application des jauges d’extensométrie ...135
III.2.1 En ortho-traumatologie et mécanique osseuse...135
III.3 Utilisation de jauges d’extensométrie enrobées ...142
III.4 Utilisation de la jauge d’extensiomètrie dans le cadre de notre travail ...145
III.4.1 Considération technique et pratique de l’utilisation de la jauge d’extensométrie ...145
III.4.1.1 Introduction ...145
III.4.1.2 Pont de Wheatstone...146
III.4.1.3 Montage pratique...146
III.4.1.4 Considérations pratiques...148
III.4.1.4.1 Symétrie du système de mesure...148
III.4.1.4.2 Réglage du bruit minimum...149
III.4.1.4.3 Mesure de bruit avec une jauge montée sur un banc de test ...150
III.4.1.4.4 Réglage du zéro ...151
III.4.1.4.5 Réglage du gain ...152
III.4.1.4.6 Compensation des fils de la jauge ...153
III.4.1.4.7 La dérive ...153
III.4.1.4.7.1 Introduction ...153
III.4.1.4.7.2 Dérive mesurée de la jauge de contrainte ...154
III.4.1.4.7.3 Dérive du signal lors d’une prise de mesure ...155
III.4.2 Use of embedded strain gages for the in vitro study of proximal tibial cancellous bone deformation during knee flexion-extension movement: development, reproducibility and first results...156
III.4.2.1 Abstract ...156
III.4.2.1.1 Background ...156
III.4.2.1.2 Methods...156
III.4.2.1.3 Results ...156
III.4.2.1.4 Conclusions ...157
III.4.2.2 Résumé...157
III.4.2.2.1 Profil de l’étude...157
III.4.2.2.2 Méthode ...157
III.4.2.2.3 Résultats ...157
III.4.2.2.4 Conclusions ...158
III.4.2.3 Introduction ...159
III.4.2.4 Methods...159
III.4.2.4.1 Specimens and setting...160
III.4.2.4.2 Measurement Element (ME):...160
III.4.2.4.3 Determination of epoxy resin Young’s modulus ...161
III.4.2.4.4 Data acquisition...162
III.4.2.4.5 Definition of the strain gage deformation ...162
III.4.2.4.6 Calibration...163
III.4.2.4.7 Location of MEs ...163
III.4.2.4.8 Experimental protocol...164
III.4.2.4.9 Statistical analysis ...164
III.4.2.5 Results ...164
III.4.2.5.1 Intra-observer reproducibility...164
III.4.2.5.2 Inter-observer reproducibility...165
III.4.2.5.3 Intra-specimen repeatability...165
III.4.2.6 Construction et validation du capteur ...169
III.4.2.6.1 Informations complémentaires à la Construction du capteur...169
III.4.2.6.1.1 Résine époxy LX112 ...170
III.4.2.6.1.2 Comportement de la jauge d’extensométrie pendant la polymérisation de la résine ...171
III.4.2.6.2 Validation du capteur ...172
III.5 Discussion ...175
III.6 Bibliographie ...179
Chapitre IV : Méthodologie générale ... 185
IV.1 Introduction...185
IV.2 Matériel et Méthode...185
IV.2.1 Spécimens ...185
IV.2.2 Préparation des spécimens...185
IV.2.2.1 Placement des marqueurs techniques...186
IV.2.2.2 Imagerie médicale et mesure de l’alignement du membre inférieur ...187
IV.2.2.3 Préparation des tunnels osseux ...191
IV.2.3 Placements des spécimens sur le cadre expérimental et mise en place des systèmes de mesure ...192
IV.2.3.1 Instruments de mesure...193
IV.2.3.1.1 L’électrogoniomètre...193
IV.2.3.1.1.1 Mise en place du goniomètre fémoro-tibial ...193
IV.2.3.1.2 Linear Variable Differential Transformer (LVDT) ...194
IV.2.3.1.2.1 Mise en place des LVDT...195
IV.2.3.1.3 Capteur de mesure des contraintes osseuses ...196
IV.2.3.1.3.1 Mise en place des capteurs de mesure...196
IV.2.3.1.3.5 Amplificateurs ...197
IV.2.4 Collecte des données...197
IV.2.5 Système de désalignement du membre inférieur ...198
IV.2.6 Définition d’un système de référence local et expression de la cinématique articulaire. ...198
IV.3 Analyse statistique ...200
IV.4 Bibliographie ...201
Chapitre V : Application d’un trouble de torsion de l’épiphyse distale du fémur — Effet sur l’évolution des variables biomécaniques de l’articulation fémoro-tibiale ... 203
V.1 Application expérimentale des troubles de torsion fémorale...203
V.1.1 Dispositif de quantification et de stabilisation de l’ostéotomie (DQSO)...203
V.1.1.1 Placement du DQSO sur le spécimen cadavérique ...205
V.1.2 Spécimens ...205
V.1.3 Montage et méthodologie...205
V.1.4 Réalisation de l’ostéotomie fémorale ...206
V.1.5 Contrôle de la déviation appliquée...206
V.1.5.1 Précision angulaire du DQSO ...206
V.1.5.2 Contrôle des déviations angulaires expérimentales...207
V.1.5.3 Stabilité du système expérimental...208
V.2 Etude in vitro du régime de contrainte de l’os sous-glénoïdien après torsion fémorale ...209
V.2.1 Evolution des contraintes osseuses en condition ‘pré-ostéotomie’...209
V.2.2 Variation du régime des contraintes osseuses après ostéotomie ...212
V.2.2.1 Capteur 1 ...213
V.2.2.2 Capteur 2 ...214
V.2.2.3 Capteur 3 ...214
V.2.2.4 Capteur 4 ...214
V.2.2.5 Capteur 5 ...214
V.2.2.6 Capteur 6 ...214
V.3 Etude in vitro des modifications des bras de leviers musculaires après torsion fémorale ...215
V.3.1 Bras de leviers des muscles de la cuisse en condition ‘pré-ostéotomie’...215
V.3.2 Variation des bras de leviers musculaires après ostéotomie ...217
V.3.2.1 Muscle semi-tendineux ...219
V.3.2.2 Muscle gracile ...219
V.3.2.3 Muscle tenseur du fascia lata...219
V.4 Etude in vitro des modifications de la cinématique articulaire après torsion fémorale ...220
V.4.1 Cinématique articulaire fémoro-tibiale ...220
V.4.2 Variation de la cinématique fémoro-tibiale après ostéotomie ...223
V.4.2.1 Variable d’abduction/adduction ...225
V.4.2.2 Variable de rotation tibiale ...225
V.4.2.3 Variable de translation antéro-postérieure ...225
V.4.2.4 Variable de translation médio-latérale ...225
V.5 Synthèse des résultats...226
V.5.1 Régime de contraintes osseuses ...226
V.5.2 Bras de leviers musculaires...226
V.5.3 Cinématique fémoro-tibiale ...226
V.6 Discussion...227
V.7 Bibliographie...232
Chapitre VI : Application d’une déviation de l’épiphyse distale du fémur dans le plan frontal — Effet sur l’évolution des variables biomécaniques de l’articulation fémoro-tibiale... 233
VI.1 Désalignement expérimental du membre inférieur dans le plan frontal...233
VI.1.1 Dispositif de quantification et de stabilisation de l’ostéotomie (DQSO)...233
VI.1.1.1 Placement du DQSO sur le spécimen cadavérique ...234
VI.1.2 Spécimens ...235
VI.1.3 Montage et méthodologie...235
VI.1.4 Réalisation de l’ostéotomie fémorale ...235
VI.1.5 Contrôle de la correction appliquée ...236
VI.1.5.1 Précision angulaire du DQSO ...236
VI.1.5.2 Contrôle des déviations angulaires expérimentales...236
VI.1.5.3 Stabilité du système expérimental...237
VI.2 Etude in vitro du régime de contrainte de l’os sous-glénoïdien après déviations en valgus/varus fémoral...239
VI.2.1Evolution des contraintes osseuses en condition ‘pré-ostéotomie’...239
VI.2.2 Variation du régime des contraintes osseuses après ostéotomie ...242
VI.2.2.1 Capteur 2 ...245
VI.2.2.2 Capteur 6 ...245
VI. 3 Etude in vitro des modifications des bras de levier musculaires après déviations en valgus/varus fémoral...246
VI.3.1Bras de levier musculaires en condition pré-ostéotomie ...246
VI.3.2 Variation des bras de levier musculaires après ostéotomie...248
VI. 4 Etude in vitro des modifications de la cinématique fémoro-tibiale après déviations en valgus/varus fémoral ...251
VI.4.1Cinématique fémoro-tibiale en condition pré-ostéotomie ...251
VI.4.2 Variation de la cinématique fémoro-tibiale après ostéotomie...253
VI.4.2.1 Variable de rotation...254
VI.4.2.2 Variable de translation antéro-postérieure ...254
VI.4.2.3 Variable de rotation tibiale ...255
VI.5 Synthèse des résultats...256
VI.5.1 Contraintes osseuses ...256
VI.5.2 Bras de leviers musculaires ...256
VI.5.3 Cinématique fémoro-tibiale ...256
VI.6 Discussion ...257
VI.7 Bibliographie ...261
Chapitre VII : Application d’une déviation de l’épiphyse proximale du fémur dans le plan sagittal - Effet sur l ’ évolution des variables biomécaniques de l’articulation fémoro-tibiale ... 263
VII.1 Désalignement expérimental du membre inférieur dans le plan sagittal...263
VII.1.1 Dispositif de quantification et de stabilisation de l’ostéotomie (DQSO)...263
VII.1.1.1 Placement du DQSO sur le spécimen cadavérique ...264
VII.1.2 Spécimens ...264
VII.1.3 Montage et méthodologie...265
VII.1.4 Réalisation de l’ostéotomie fémorale ...265
VII.1.5 Contrôle de la correction appliquée ...266
VII.1.5.1 Précision angulaire du DQSO ...266
VII.1.5.2 Contrôle des déviations angulaires expérimentales...266
VII.1.5.3 Stabilité du système expérimental...267
VII.2 Etude in vitro du régime de contrainte de l’os sous-glénoïdien après déviations en flexum/recurvatum fémoral...268
VII.2.1Evolution des contraintes osseuses en condition ‘pré-ostéotomie’...268
VII.2.2 Variation des contraintes osseuses après ostéotomie...271
VII.2.2.1 Capteur 1 ...272
VII.2.2.2 Capteur 2 ...273
VII.2.2.3 Capteur 3 ...273
VII.2.2.4 Capteur 4 ...273
VII.2.2.5 Capteur 6 ...274
VII. 3 Etude in vitro des modifications des bras de levier musculaires après déviation en flexum/recurvatum fémoral...275
VII.3.1Bras de levier musculaires en condition ‘pré-ostéotomie’...275
VII.3.2 Variation des bras de levier musculaires après ostéotomie...278
VII.3.2.1 Muscle semi-tendineux...280
VII.3.2.2 Muscle semi-membraneux...280
VII.3.2.3 Muscle gracile ...280
VII. 4 Etude in vitro des modifications de la cinématique fémoro-tibiale après déviations en flexum/recurvatum fémoral ...281
VII.4.1Cinématique fémoro-tibiale en condition ‘pré-ostéotomie’...281
VII.4.2 Variation de la cinématique fémoro-tibiale après ostéotomie...283
VII.4.2.1 Variable d’abduction/adduction ...284
VII.4.2.2 Variable de translation antéro-postérieure ...284
VII.4.2.3 Variable de translation médio-latérale ...284
VII.4.2.4 Variable d’abduction/adduction ...285
VII.4.2.5 Variable de rotation tibiale ...286
VII.4.2.6 Variable de translation antéro-postérieure ...286
VII.4.2.7 Variable de translation proximo-distale ...286
VII.4.2.8 Variable de translation médio-latérale ...286
VII.5 Synthèse des résultats...287
VII.5.1 Contraintes osseuses ...287
VII.5.2 Bras de levier musculaires ...287
VII.5.3 Cinématique fémoro-tibiale ...287
VII.6 Discussion ...288
VII.7 Bibliographie ...293
Chapitre VIII : Discussion générale... 295
VIII.1 Introduction...295
VIII.2 Spécimens utilisés...295
VIII.3 Préparation des spécimens ...301
VIII.3.1 Dissection des spécimens ...301
VIII.3.2 Respect des rapports anatomiques ...301
VIII.3.3 Fixation des spécimens au cadre expérimental ...303
VIII.3.4 Simulation de la ligne d’action des muscles...303
VIII.3.5 Mise en charge des spécimens...304
VIII.3.6 Placement des marqueurs techniques et expression du mouvement ...306
VIII.3.7 Mise en place des systèmes de mesure ...308
VIII.3.7.1 Mise en place de l’électrogoniomètre à 6 DDL...308
VIII.3.7.2 Mise en place des LVDT...308
VIII.3.7.3 Mise en place des capteurs de déformation ...316
VIII.3.8 Mesure de l’alignement du membre inférieur...323
VIII.3.9 Déviation du membre inférieur...330
VIII.4 Considérations cliniques ...333
VIII.4.1 Evolution arthrosique et enclouage fémoral centromédullaire ...333
VIII.4.2 Localisation de l’usure des polyéthylènes tibiaux d’une PTG ...335
VIII.5 Conclusion ...339
VIII.6 Perspectives...341
VIII.7 Bibliographie ...342
Chapitre IX : Bibliographie générale ... 349
Chapitre X : Annexes ... DVD
Annexe I ...4Annexe II ...27
Annexe III ...34
Annexe V ...53
Annexe VI...74
Annexe VII...82
Annexe VIII...92
Annexe IX : Thèse annexe...93
