Characterization of the bone-implant interface and numerical analysis of implant vibrational behavior for a mechanics based preoperative planning of total hip arthroplasty

Ce travail de thèse avait comme objectif l'amélioration des outils de planning préopératoire tridimensionnels (P3D) pour l'arthroplastie totale de la hanche. Lors de l'utilisation d'implants sans ciment, une bonne stabilité primaire est requise pour obtenir une ostéointégration satisfaisante. Pour cela, une sélection appropriée de la taille et de la position de la prothèse est indispensable. En utilisant des images scanner obtenues par tomographie à rayon X de la hanche des patients, le chirurgien peut se servir du P3D pour faire la sélection de l'implant et anticiper sa position finale. Aujourd'hui, les méthodes de planning disponibles ne fournissent pas de critère mécanique qui pourrait refléter la qualité du contact os-implant. Nous proposons une méthode pour l'amélioration du P3D basé sur une analyse vibratoire par éléments finis pour le calcul de paramètres mécaniques personnalisés et liés á la stabilité primaire. Nos résultats suggèrent que la réponse modale de la tige est très sensible aux changements de l'aire de contact et de la raideur apparente de l'interface os-implant. Une transition marquée du comportement modal associée à un ancrage plus ou moins bon a permis de définir des seuils qui pourraient potentiellement discriminer des implants stables et instables dans le cadre du planning. Nous avons aussi étudié l'effet de la procédure de râpage et son possible impact sur le P3D. L'effet de la râpe sur la microstructure de l'os à l'interface os-implant a été analysé ex-vivo à l'aide d'images de micro-scanographie. Une distribution spatiale de la raideur de l'os en contact avec l’implant a aussi été obtenue par indentation des mêmes pièces anatomiques.This thesis work is concerned with the enhancement of three-dimensional preoperative planning (P3D) tools for total hip reconstruction. When cementless implants are used, primary stability is vital for a good osseointegration. For this, a correct selection of the size and position of the implant is necessary. The surgeon may use P3D based on the computed tomography scanner of the patient’s hip to optimally select the implant’s size and anticipate the final implant’s position. Available planning methods lack a mechanical criterion reflecting the actual quality of the bone-implant contact. In this work we propose a method to improve P3D using a vibrational finite element analysis to calculate patient-specific mechanical parameters representative of primary stability. We found that the modal response of the stem is very sensitive to changes of the area and apparent stiffness of the bone-implant interface. A clear transition between loose and tight contact allowed the definition of thresholds that could potentially discriminate between a stable and an unstable stem. We also studied the effect of the broaching procedure and its relevance for P3D. The effect of broaching on bone microstructure at the bone-implant interface was analyzed using cadaveric samples and micro-computed tomography. A mapping of the stiffness of bone in contact with the implant was obtained with indentation on the same cadaveric samples