Caractérisation et modélisation des actions mécaniques des orthèses du genou

par Baptiste Pierrat

Thèse de doctorat en Mécanique et Ingénierie

Sous la direction de Jérôme Molimard.

Soutenue le 10-12-2013

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec Pôle des technologies médicales .

Le président du jury était Pascal Swider.

Le jury était composé de Jérôme Molimard, Pascal Swider, Laurence Chèze, Laurent Bensoussan, Paul Calmels, Laurent Navarro.

Les rapporteurs étaient Laurence Chèze, Laurent Bensoussan.


  • Résumé

    L’articulation du genou est sujette à de nombreuses pathologies pouvant entraîner des instabilités. Les démarches thérapeutiques incluent communément le port d’orthèses, dans le but de stabiliser ou limiter les mouvements articulaires. Malgré une forte prescription, l’évaluation de ces dispositifs manque encore de standardisation.En lien avec des médecins et des industriels, différents outils ont été développés pour évaluer leur efficacité biomécanique. Un modèle éléments finis d’un membre inférieur appareillé a notamment permis d’étudier l’effet de divers paramètres de conception d’une genouillère sur les pressions exercées et sur sa capacité à limiter un mouvement pathologique. Ce modèle a servi à valider un banc de test pouvant contribuer à l’innovation et la certification. Afin d’appréhender les problèmes de confort, le glissement des orthèses sur la peau a été caractérisé par des mesures de champ. Enfin, leurs actions in vivo ont été mesurées à l’aide d’un arthromètre sur des patients présentant une laxité.Les résultats mettent en évidence l’importance des caractéristiques techniques des orthèses et la spécificité du patient sur leurs niveaux d’action. Ainsi, il est possible de cibler des pathologies en jouant sur certains facteurs. Cependant, comparé aux structures de stabilisation passive (ligaments), le rôle des orthèses s’avère limité aux conditions de faibles sollicitations mécaniques. Néanmoins, leurs effets actifs et proprioceptifs (contrôle neuro-musculaire) seraient également à considérer.Ces outils s’avèrent complémentaires ; ils ouvrent la voie à des démarches d’évaluation standardisées et pourront également aider au développement de nouveaux produits.

  • Titre traduit

    Biomechanical effects of knee orthoses : experimental characterization and modelling.


  • Résumé

    The knee joint is vulnerable to various injuries and degenerative conditions, potentially leading to instabilities. Usual treatments involve orthoses, which are medical devices aimed at supporting, aligning or immobilizing the joint. However, the evaluation of these devices lacks standardisation despite high prescription and demand.In relation with clinicians and manufacturers, different tools were developed to assess their biomechanical efficiency. Firstly, a finite element analysis (FEA) of a braced lower limb was used to investigate the effects of brace design on its ability to prevent a pathological motion and understand the force transfer mechanisms. This model provided a basis to validate an experimental surrogate limb with the aim of providing an innovation and certification tool for manufacturers. In an attempt to apprehend comfort issues, full-field measurements of brace migration and FEA of contact pressures were performed. Finally, their in vivo actions were measured on ACL-deficient patients using a laxity testing device.Results highlight the importance of brace technical characteristics and patient-specificity on characterized levels of action and comfort. Furthermore, some key design factors allowed to target devices to particular pathologies. However, when compared to in vivo passive stabilizing structures (ligaments), the efficiency of knee braces was restrained to low load conditions. Nevertheless, these devices may also have a substantial effect on active stabilizing mechanisms such as neuro-muscular control.These tools were found to be complementary and may hopefully pave the way to a standardised procedure for evaluating and developing new designs.


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