Contribution to knee osteoarthritis modelling. Application to the study of an unloading brace.

Le projet se situe dans le contexte de la gonarthrose fémoro-tibiale, et plus spécifiquement de son traitement par orthèse de décharge. Du fait de la cinématique particulière de l’orthèse testée, un protocole spécifique a été mis en place dans le but d’approfondir les mécanismes d’actions de cette orthèse. Ce protocole s’est appuyé sur des outils d’investigation utilisés dans la routine clinique (système EOS® et Vicon®). Seize sujets symptomatiques ont participé à l’étude. Les objectifs principaux étaient de valider et d’utiliser des méthodes de personnalisation des modèles, support de la biomécanique, dans ce contexte spécifique, afin d’améliorer la précision de la quantification des paramètres cinématiques et dynamiques. En effet, l’état de l’art démontre que l’indicateur dynamique couramment utilisé dans l’étude de la gonarthrose, le moment articulaire externe d’adduction, souffre de résultats controversés. Les objectifs secondaires étaient de caractériser la pathologie à l’aide des indicateurs calculés ainsi que d’approfondir le mécanisme d’action de l’orthèse de décharge. Ainsi, deux méthodes principales ont été investiguées. La première porte sur l’analyse séquentielle cinématique de l’articulation fémoro-tibiale en utilisant le système EOS®. Cette analyse nécessite une étape de recalage d’objet 3D sur des vues 2D biplanaires. La fiabilité de ce recalage manuel a été quantifiée en évaluant, d’une part, la précision de la méthode grâce à des données in vitro et, d’autre part, la répétabilité de la méthode grâce à la participation de 3 opérateurs et de 6 sujets asymptomatiques dont les acquisitions ont permis d’obtenir des vues du genou dans plusieurs positions (extension et flexion 20°, 40°et 90°). La seconde méthode consiste en la fusion de données issues de deux environnements (EOS® et Vicon®) de façon à quantifier les moments articulaires externes dans le genou en définissant le point auquel sont calculés ces moments à partir du modèle 3D du fémur. Ce modèle étant recalé dans l’environnement Vicon® par l’intermédiaire des marqueurs externes détectables dans les acquisitions EOS® et Vicon®. Les résultats principaux concernent :1/ la fiabilité du recalage des modèles 3D des os sur des vues 2D de l’ordre de 0,3° et 1,6 mm dans le plan sagittal de 2,1° et 1,8mm dans le plan transversal ; 2/ la quantification d’angles positionnels 3D du fémur et du tibia des membres inférieurs symptomatiques montrant que la surface articulaire tibiale (plateaux tibiaux) tend à demeurer horizontale contrairement à l’inclinaison plus marquée du fémur ; 3/ une variation des moments articulaires externes en fonction de l’intégration ou non d’un modèle interne pour le calcul de ce paramètre ; 4/ la quantification de la cinématique séquentielle de l’orthèse et du genou. La fiabilité des méthodes développées dans ce travail a été estimée ouvrant la voie à leurs applications et à leurs développements en clinique.Mots clés : gonarthrose fémoro-tibiale ; orthèse ; analyse séquentielle ; recalage.The context is the knee osteoarthritis and its treatment via an unloading brace. As the evaluated brace has specific kinematics, a dedicated protocol was set up using clinical routine tools (EOS® and Vicon®). Sixteen symptomatic subjects participated to this study. The main objective was to validate and to use personalization methods of the biomechanical models to improve the accuracy kinematics and kinetics parameter computation in this specific context. Indeed, the state of the art highlights that the dynamic indicator, currently used in knee osteoarthritis studies, the external adduction joint moment is controversial. The secondary objectives were both the characterization of the pathology using indicators obtained on the acquired data and the in-depth study of the mechanical action of the unloading brace evaluated in this study. Thus, two main methods were investigated. The first one is the sequential analysis of the knee kinematics using EOS® system. This analysis required a registration step of a 3D object on 2D biplanar views. The manual registration reliability was quantified by evaluating both the method accuracy with in-vitro data and the method repeatability thanks to the participation of 3 operators and 6 asymptomatic subjects allowing the acquisition of knee images in several positions (extension and 20°, 40°, and 90° flexion). The second method consists in the fusion of data obtained in the two acquisitions environments (EOS® and Vicon®), to obtain the external knee joint moment in order to define the point where the moment is computed from the femur 3D model. This model is registered in the Vicon® environment through external markers visible in both the EOS® and Vicon® acquisitions. The main results relate to: 1/the reliability of the registration of the bone 3D model on 2D views estimated at about 0,3° and 1,6 mm in the sagittal plane and about 2,1° and 1,8 mm in the transverse plane ; 2/ the quantification of the angular relative position of the shank and tibia of the symptomatic lower limbs, showing the tibial plateau horizontality opposed to the femur emphasized inclination ; 3/ external joint moment variation according to the computation method (with or without internal model included) ; 4/ brace and knee sequential kinematic quantification. As the reliability of the methods developed in this study was estimated, further developments and clinical applications and development could now be explored using these methods.Keywords : knee osteoarthritis; brace, sequential analysis; registration