Le descellement glénoïdien, principale complication

Mouvements de l’épaule

Les mouvements de l’épaule sont le plus souvent décrits selon les plans anatomiques, a savoir frontal, sagittal et transversal (Nobuhara, 2003; Kapandji, 2005) (Figure 1.2). Cependant, la plupart des auteurs adoptent une convention de plans fonctionnels en raison de la position particuliere de la scapula. En effet, celle-ci est inclinee de 30˚ a 40˚ en avant du plan frontal (Schunke et al., 2006; Rockwood et al., 2009). Ainsi, par exemple, on preferera evaluer une elevation dans le plan de la scapula plutot que par rapport au plan frontal. Ce genre de definition permet une description plus physiologique, qui correspond mieux aux mouvements effectivement disponibles du fait des restrictions articulaires. Le complexe articulaire de l’epaule est le plus mobile du corps humain, permettant de realiser des mouvements d’abduction/adduction, de flexion/extension et de rotation interne/externe a de grandes amplitudes (Figure 1.3). Diverses combinaisons de ces mouvements primaires permettent ainsi de realiser des mouvements complexes de la vie quotidienne tels qu’attraper un objet sur une etagere, se peigner, ou encore soulever des charges. Il est clair que de tels mouvements complexes impliquent une biomecanique particuliere.

Toutefois, peu d’auteurs se proposent de les étudier dans le détail. Les raisons principales sont la difficulté de mise en œuvre des mesures et/ou des calculs ainsi qu’une difficulté, voire une impossibilite de validation des resultats obtenus. Ainsi, la litterature rapporte plutot des etudes de mouvements primaires, en particulier l’abduction. Plusieurs aspects poussent a ce choix. Tout d’abord nous pouvons citer la simplicite de realisation et de reproductibilite du mouvement en comparaison a des mouvements de la vie quotidienne. Ensuite, la validation des resultats est facilitee, notamment par comparaison a d’autres etudes rapportees dans la litterature. Par ailleurs, l’abduction est un des mouvements primaires les plus a meme d’endommager l’articulation glenohumerale (GH) car les forces generees a l’articulation sont particulierement elevees (Poppen etWalker, 1978). Enfin, l’abduction presente un interet clinique indeniable car elle est en lien avec diverses pathologies, en particulier les ruptures de la coiffe des rotateurs. Pour ces raisons, la suite du present document se concentrera sur l’anatomie et la biomecanique specifiques au mouvement d’abduction dans le plan de la scapula. L’articulation principale, i.e. l’articulation GH, sera decrite, ainsi que les muscles et leur role dans la generation de l’abduction. Les divers elements necessaires a la stabilisation de l’articulation seront exposes. Enfin, la cinematique et les forces en jeu lors du mouvement d’abduction seront presentees. Les importantes amplitudes de mouvement sont possibles grace a l’anatomie particuliere de cette articulation, tant en terme d’osteologie que de myologie. Les prochaines sections visent a detailler ces deux aspects.

Ostéologie de l’articulation glenohumerale

L’articulation principale est l’articulation scapulohumerale, aussi nommee articulation glenohumerale (GH). Elle met en relation l’humerus et la scapula par l’intermediaire de la tete humerale et de la glene (Figure 1.1). Il est important de noter qu’il existe une grande variabilite anatomique de ces deux surfaces articulaires car ceci impacte directement les procedures et les technologies utilisees pour le traitement de pathologies liees a cette articulation.

A. Tête humérale : Elle est modelisable comme etant environ 1/3 de sphere, avec un arc d’environ 120˚. Une etude a mis en avant que, bien que la surface articulaire soit spherique en son centre, la forme de son contour serait plutot elliptique (ratio 0.92) que totalement spherique avec 2mm de moins dans le plan axial que dans le plan coronal (Iannotti et al., 1992). La surface articulaire est principalement definie par son rayon de courbure et son epaisseur (Iannotti et al., 1992, 2005). Le centre de la tete humerale presente un deport variable tant dans la direction medio-laterale (en moyenne de 11mm) qu’antero-posterieure (3- 4mm) (Boileau et Walch, 1997; Iannotti et al., 2005) (Figure 1.5). La surface articulaire est orientee avec une inclinaison entre 130 et 150˚ par rapport a la diaphyse de l’humerus (Figure 1.4 (a)), correspondant a une inclinaison vers le haut d’environ 45˚ (Figure 1.4 (b)). La retroversion humerale est definie comme etant l’angle forme par l’axe intercondyliendu coude et une bissectrice de la tete humerale Sa retroversion est d’environ 30˚ par rapport a la ligne condylienne de l’extremite distale de l’humerus (Rockwood et al., 2009) (Figure 1.4 (c)).

B. Glène : Il s’agit de la partie de la scapula qui se trouve en vis a vis de la tete humerale. De forme concave tres aplatie, sa forme ressemble le plus souvent a une virgule inversee ou a une poire (Rockwood et al., 2009) (Figure 1.6). Ses dimensions sont de l’ordre de 35 mm en vertical, 25 mm en transverse et sa surface d’environ 6 a 8cm2 (Prescher et Klumpen, 1995; Rockwood et al., 2009). Le rayon de courbure de la glene est en moyenne 2.3 mm plus grand que celui de la tete humerale (Iannotti et al., 1992). Plus specifiquement, il semble que la glene soit plus courbee, et donc plus profonde, dans la direction inferosuperieure que dans la direction antero-posterieure (Mcpherson et al., 1997). L’inclinaison correspond a l’angle de la glene dans le plan frontal, forme par la ligne verticale passant par la partie superieure de la glene et la droite joignant le haut et le bas de la glene (Chiavassa-Gandois et al., 2010) (Figure 1.7). Cette mesure est tres variable entre les individus : elle est rapportee comme etant comprise entre -7˚ et +24.9˚ (Churchill et al., 2001a; Maurer et al., 2012; Iannotti et al., 2013).

C. Ruptures de coiffe des rotateurs Le terme « rupture de la coiffe des rotateurs » fait reference a la rupture d’un ou de plusieurs des tendons de cet ensemble musculaire, i.e. supraspinatus, infraspinatus, subscapularis et/ou petit rond 1.11. Le tendon le plus couramment touche est le supraspinatus et il semble qu’environ 20% de la population souffre d’une rupture massive de la coiffe des rotateurs (RMCR) (Yamamoto et al., 2010). Cette derniere, egalement nommee rupture transfixiante globale, est decrite comme etant une rupture du tendon du supraspinatus et d’au moins un autre des muscles de la coiffe des rotateurs (Gerber et al., 2000) ; la mention d’une RMCR fait egalement reference a la taille de la rupture : 1 cm est considere comme etant une petite lesion, 1-3 cm une lesion moyenne, 3-5 cm une grande lesion et plus de 5 cm une lesion massive (Gomoll et al., 2004). Le terme « cuff tear arthropathy » (CTA) a egalement ete introduit en 1983 par Neer et al. (1983).

Cette condition correspond a une destruction combinee de la coiffe des rotateurs et des os de l’articulation GH. Tel que decrit precedemment (voir le §1.2.3), la coiffe des rotateurs assure une stabilisation active de l’articulation GH. Par consequent, une rupture d’un de ses muscles conduit a une instabilite de l’articulation GH dans les directions transverse (anterieur-posterieur) et/ou verticale (inferieure-superieure). Elle est d’autant plus marquee que la rupture est importante, en terme de taille et de nombre de tendons touches. S’ensuit une diminution et un changement de direction de la force de reaction glenohumerale (GH-JRF)(Parsons et al., 2002). Cette modification des forces articulaires normales induit des perturbations dans la biomecanique articulaire. Cliniquement, on observe une migration superieure de la tete humerale en raison de l’absence de forces opposees au muscle deltoide (Zuckerman et al., 2000). Il a en effet ete clairement mis en avant que la coiffe des rotateurs s’oppose a la translation superieure de la tete humerale (Sharkey et Marder, 1995) (Figure 1.17).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le complexe articulaire de l’épaule
1.1.1 Ostéologie et arthrologie de l’épaule
1.1.2 Mouvements de l’épaule
1.2 L’articulation glénohumérale
1.2.1 Ostéologie de l’articulation glénohumérale
1.2.2 Mobilité de l’articulation glénohumérale
1.2.2.1 Cinématique de l’articulation glénohumérale
1.2.2.2 Le rythme scapulo-huméral
1.2.2.3 Muscles de l’articulation glénohumérale
1.2.2.4 Forces musculaires et force de réaction glénohumérale
1.2.3 Stabilité de l’articulation glénohumérale
1.2.3.1 Notion d’instabilité
1.2.3.2 Stabilisateurs passifs
1.2.3.3 Stabilisateurs actifs
1.3 Pathologies de l’épaule et traitement par arthroplastie totale anatomique
1.3.1 Principales pathologies de l’épaule nécessitant une arthroplastie
1.3.2 Les prothèses totales
1.3.2.1 La prothèse totale anatomique
1.3.2.2 La prothèse totale inversée
1.3.3 Complications majeures de l’arthroplastie totale anatomique nonconforme
1.3.3.1 Le descellement glénoïdien, principale complication
1.3.3.2 Paramètres prothétiques influençant le risque de descellement glénoïdien
1.3.4 Résumé des limitations et inconnues en lien avec la cinématique de l’épaule et le traitement par arthroplastie
1.4 Analyse biomécanique de l’épaule : les études expérimentales
1.4.1 Évaluation de la cinématique
1.4.1.1 Acquisition cinématique
1.4.1.2 Traitement cinématique : systèmes d’axe et séquences de rotation
1.4.2 Montages incluant le rythme scapulo-huméral
1.4.3 Montages statiques
1.4.4 Montages dynamiques
1.4.5 Résumé de l’étude biomécanique par analyse expérimentale (invitro)
1.5 Analyse biomécanique de l’épaule : les études numériques musculosquelettiques
1.5.1 Modélisation musculosquelettique et équation de mouvement
1.5.2 Dynamique directe
1.5.3 Dynamique inverse
1.5.3.1 Principe de la dynamique inverse
1.5.3.2 Critères d’optimisation en dynamique inverse
1.5.3.3 Difficultés et limitations liées à la dynamique inverse
1.5.4 Validation des résultats d’études par modélisation musculosquelettique
1.5.4.1 Besoin de validation
1.5.4.2 Terminologie
1.5.4.3 Vérification et validation
1.5.4.4 Étapes de validation
1.5.4.5 Concepts de validation
1.5.5 Le modèle AnyBody de l’épaule
1.5.5.1 Représentation du muscle deltoïde
1.5.5.2 Modélisation de l’articulation glénohumérale
1.5.5.3 Algorithme « Force Dependent Kinematic »
1.5.5.4 Algorithme de contact
1.5.6 Résumé de l’étude biomécanique par analyse numérique
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUES ET OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
2.1 Problématiques
2.1.1 Problématique clinique
2.1.2 Problématique technique
2.2 Objectifs de recherche
2.2.1 Objectif global
2.2.2 Objectifs spécifiques
2.2.2.1 Analyse expérimentale : conception d’un montage d’abduction de l’épaule et évaluation d’arthroplasties totales
2.2.2.2 Analyse numérique musculosquelettique par dynamique inverse : développement du modèle FDK
2.2.2.3 Analyse numérique musculosquelettique par dynamique inverse : évaluation d’arthroplasties totales
CHAPITRE 3 ARTICLE 1 – EFFECT OF GLENOID IMPLANT DESIGN ON GLENOHUMERAL STABILITY : AN EXPERIMENTAL STUDY
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Method
3.3.1 Specimen preparation, 3D reconstruction and kinematics evaluation
3.3.2 Description of the apparatus (Figure 3.3)
3.3.3 Preparation of experiments
3.3.4 Reproducibility protocol
3.3.5 Glenoid implant evaluation protocol
3.4 Results
3.4.1 Reproducibility
3.4.2 Impact of glenoid implant design on glenohumeral stability
3.4.3 Impact of glenoid mismatch on glenohumeral stability
3.5 Discussion
3.5.1 Acknowledgments
3.5.2 Conflicts of interest
CHAPITRE 4 ARTICLE 2 – AN INVERSE DYNAMIC MUSCULOSKELETAL MODEL TO EVALUATE GLENOID LOOSENING RISK IN NON-CONFORMING TOTAL SHOULDER ARTHROPLASTY
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Methods
4.3.1 Original AnyBodyTM shoulder model : Ball-and-Socket Model
[B&S Model]
4.3.2 Adapted model : Force Dependant Kinematic Model [FDK
Model]
4.3.2.1 Release of the degrees-of-freedom (DoF) of the
humeral head translations for the FDK model
4.3.2.2 Joint contact constraint of the FDK model
4.3.3 Common parameters between models
4.3.3.1 Non-Conforming Total Shoulder Arthropalsty
4.3.3.2 Joint and muscular properties for the two models
4.3.3.3 Simulated movement for the two models
4.4 Results
4.4.1 Humeral head center position relative to the glenoid
4.4.2 Contact : humeral head center of pressure position on the glenoid
and glenohumeral contact area
4.4.3 Glenohumeral joint reaction forces (GH-JRF)
4.5 Discussion
CHAPITRE 5 ARTICLE 3 – EFFECT OF MISMATCH AND SUBSCAPULARIS TEAR ON CENTER OF PRESSURE AND CONTACT AREA OF A TOTAL SHOULDER ARTHROPLASTY : A MUSCULOSKELETAL NUMERICAL ANALYSIS
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Methods
5.3.1 Shoulder model
5.3.1.1 Inverse dynamic musculoskeletal analysis
5.3.1.2 AnyBody shoulder model
5.3.1.3 Humeral head translations
5.3.1.4 Implant contact computation
5.3.2 Parameters of the study
5.3.2.1 Conformity
5.3.2.2 Subscapular deficiency
5.3.2.3 Results analysis
5.4 Results
5.4.1 Humeral head translations relative to the glenoid
5.4.2 Contact area
5.4.3 Center of Pressure (COP)
5.4.4 Glenohumeral joint reaction force (GH-JRF) and glenohumeral contact pressure
5.5 Discussion
5.6 Conclusion
CHAPITRE 6 RÉSULTATS COMPLÉMENTAIRES : VERS UNE INTERFACE UTILISATEUR
6.1 Introduction et raison d’être
6.2 Fonctionnalités implémentées
6.2.1 Mise à l’échelle
6.2.2 Rupture de muscles de la coiffe des rotateurs
6.2.3 Choix d’implants
6.2.4 Positionnement des implants
6.3 Recommandations pour de futures fonctionnalités
6.3.1 Type de mouvement
6.3.2 Simulation de renforcements musculaires
6.3.3 Mise à l’échelle et considération des variabilités morphologiques
6.3.4 Validation de l’interface utilisateur
CHAPITRE 7 DISCUSSION GÉNÉRALE
7.1 Synthèse des travaux
7.2 Limitations et recommandations
7.2.1 Étude expérimentale
7.2.1.1 Type de mouvement
7.2.1.2 Utilisation de spécimens cadavériques
7.2.1.3 Rythme scapulo-huméral
7.2.2 Étude numérique musculosquelettique
7.2.2.1 Modèles 3D de prothèses
7.2.2.2 Modèle générique versus modèle personnalisé
7.2.2.3 Représentation musculaire
7.2.2.4 Développement et utilisation des modèles musculosquelettiques
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE

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