Influence de l'implantation d'une prothèse totale de genou sur les contraintes fémoropatellaires lors d'une simulation de squat

Influence of total knee arthroplasty implantation on patellofemoral stress during squatting

• Auteur / Autrice : Louis Dagneaux
• Direction : Franck Jourdan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil. LMGC (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Chabrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Jourdan, Nadia Bahlouli, Sébastien Lustig, Etienne Malachanne, François Canovas, Samuel Choblet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Bahlouli, Sébastien Lustig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Articulation fémoro-patellaire

Prothèses de genou

Mots clés libres

Prothèse de genou

Fémoropatellaires

3d

Modélisation

Alignement mécanique

Alignement cinématique

Total Knee arthroplasty

Patellofemoral

3d

Computational model

Mechanic alignment

Kinematic alignment

Résumé

La mise en place d’une prothèse totale de genou (PTG) permet un retour aux activités de la vie quotidienne du patient par diminution des douleurs et optimisation des mobilités articulaires dans un contexte de gonarthrose sévère. Bien que les douleurs fémoropatellaires fassent partie des étiologies les plus fréquentes d’insatisfaction rapportée, il est toujours difficile de prédire cliniquement une évolution fémoropatellaire défavorable après PTG.La technique chirurgicale d’implantation conventionnelle, dite par « alignement mécanique », a pour objectif un alignement neutre du membre inférieur dans le plan frontal (180°± 3), pouvant s’accompagner d’une modification postopératoire du phénotype fémoral. Une étude clinique préliminaire a été réalisée pour cette thèse, au CHU de Montpellier, sur une cohorte de 163 patients opérés d’une PTG primaire dans un contexte de déformation en varus, afin d’analyser la relation entre la variation d’obliquité de l’interligne fémoral et les scores fonctionnels postopératoires. Cette variation était associée à des scores fonctionnels significativement inférieurs (HSS Patella score, KOOS-12, FJS-12) au recul moyen de 34 mois. Chaque degré de variation d’obliquité fémorale était associé à une diminution de 2,5 points en moyenne de ces scores.Le rôle de tension des retinaculum patellaires reste incertain dans la survenue de douleurs antérieures. Si plusieurs modélisations en éléments finis (MEF) ont été rapportées dans la littérature, peu d’études se focalisent sur une évaluation fémoropatellaire lors de la flexion. Les conditions aux limites et de chargement très différent selon les modélisations rendent difficile leur comparabilité. Ainsi, les objectifs de cette thèse étaient de développer et de valider un modèle numérique en éléments finis d’une PTG permettant l’analyse des efforts fémoropatellaires au cours d’une simulation de squat pilotée en efforts et moments, et de comparer l’influence de différentes techniques d’implantation prothétique sur le comportement fémoropatellaire.Dans un premier temps, une modélisation du membre inférieur en éléments finis avec implantation d’une PTG postéro-stabilisée à plateau fixe était développée. Afin de simuler les conditions mécaniques d’un squat en appui bipodal, une charge constante de 130 N était appliquée au centre du genou prothétique. Les efforts appliqués au tendon quadricipital, les pressions de contact observées sur l’implant patellaire, les efforts et leur répartition sur l’insert tibial, ainsi que la mise en contact du système plot-came étaient évalués jusqu’à 100° de flexion. Les efforts appliqués au tendon quadricipital augmentaient au cours de la flexion jusqu’à 6 fois le chargement initial. Les contraintes à la surface de l’implant patellaire augmentaient jusqu’à 16 MPa à 100° de flexion. Cette simulation retrouvait des efforts de contact fémorotibiaux et fémoropatellaires, une répartition de ces efforts entre compartiment médial et latéral, ainsi que la mise en contact du système plot-came compatibles avec de nombreux travaux publiés.Dans un deuxième temps, l’implantation de la même PTG sur un morphotype en varus avec interligne fémoral oblique était réalisée par alignement mécanique (obliquité modifiée) et cinématique (obliquité restituée). Des conditions identiques de chargement étaient appliquées afin de comparer les contraintes de Von Mises et leur répartition observées sur l’implant patellaire, de même que les efforts observés sur le retinaculum latéral, à 60° et 100° de flexion. Le non-respect de l’obliquité de l’interligne fémoral distal était associé à une augmentation des efforts du retinaculum latéral et à une surface de contact sur l’implant fémoral plus large, pouvant engendrer des douleurs antérieures. Néanmoins, l’alignement cinématique présentait un pic d’efforts sur l’implant patellaire lors de la flexion, questionnant le dessin suboptimal des implants fémoraux actuels pour cette technique d’implantation

Total knee arthroplasty (TKA) implanted in the context of severe arthritis are associated with substantial functional outcomes, pain relief and improvements in range of motion. While patellofemoral complications are among the most frequent reasons for dissatisfaction and revisions, adverse patellofemoral outcomes after TKA are always difficult to predict. As such, patellofemoral biomechanics data are necessary to understand anterior knee pain and residual patellofemoral symptoms in regards to implantation techniques.Historically, a neutral postoperative coronal alignment of the lower limb (180°±3) has been considered as a goal to achieve for mechanically aligned TKA, in spite of possible postoperative changes in femoral phenotype due to the femoral component implantation. A preliminary clinical study performed at our department, including a cohort of 163 patients who underwent a primary TKA in the context of varus deformity, aimed to investigate the influence of postoperative changes in femoral joint line obliquity (JLO) on functional outcomes after TKA. Patients with substantial changes in femoral JLO were associated with lower patient-reported outcomes scores (HSS Patella score, KOOS-12, FJS-12) at mean 34-month follow-up. A mean drop of 2.5 points for each score was found per each degree of changes in femoral JLO.While several well-known surgical factors usually lead to the occurrence of anterior knee pain during flexion, little is known about the role of tensile forces in patellar retinaculum as the capability to flex and bend the knee during squatting is commonly related to satisfactory clinical outcomes for patients. There is limited amount of data about patellofemoral biomechanics in TKA from computational analysis using finite element modeling, with different boundary conditions and loads. As such, this study aimed to develop and validate a new finite element model which can be used to investigate the influence of TKA implantation techniques on patellofemoral stress during squatting simulation.First, a fixed-bearing posterior stabilized TKA was implanted in a knee finite element model. A constant load of 130N was applied at the center of the TKA in order to reproduce boundary conditions of bipodal squatting. We evaluated quadricipital force, medial and lateral tibio-femoral contact forces and patellofemoral Von Mises stress from extension to 100° of flexion. Quadricipital force increased during flexion, up to 6 times the initial load. Patellofemoral stress also increased during flexion, up to 16 MPa at 100° of flexion. Overall, contact forces and post-cam engagement angle were consistent with several published computational simulation.Secondly, the same TKA design was implanted in the context of a varus knee deformity with femoral JLO using mechanical alignment and kinematic alignment techniques. The same boundary conditions were applied to compare patellofemoral stress and lateral retinaculum forces at 60° and 100° of flexion. In mechanically aligned TKA setup, change in JLO was associated with increased lateral retinaculum forces and patellofemoral contact surface, which both can lead to anterior knee pain. However, kinematically-aligned TKA showed increased stress peak during flexion, disregarding the restitution of the femoral JLO and raising the lack of specific femoral component design dedicated to this implantation technique