Problématiques et enjeux de la conception des emboîtures fémorales

PROBLEMATIQUES ET ENJEUX DE LA CONCEPTION DES EMBOITURES FEMORALES

Description anatomique du membre résiduel

Les membres inférieurs sont les membres permettant la locomotion. En comparaison des membres supérieurs, ils sont composés de structures puissantes permettant notamment le passage de la position assise à la position debout. Dans le cadre de ce travail, la description anatomique du membre inférieur se limitera à une description succincte des structures agissant sur l’articulation de la hanche, les articulations inférieures au genou n’étant plus présentes dans le cadre des amputations transfémorales. L’ensemble des descriptions anatomiques de ce chapitre sont issues de (Tortora et al., 2012; Briggs, 2015). L’innervation et la vascularisation du membre résiduel n’étant pas étudiées dans la suite du manuscrit, ces aspects ne sont pas détaillés ici.

Structure osseuse 

Les principaux os de la région pelvienne sont le sacrum, le pelvis et le fémur. Pour la suite, le bassin désignera la structure englobant le pelvis et le sacrum. En particulier, le pelvis est lui-même constitué de trois os fusionnés : l’ilium, le pubis et l’ischion. L’acétabulum est une des structures remarquables du bassin. Il s’agit de la cavité articulaire du pelvis dans laquelle vient s’insérer la tête du fémur formant ainsi la liaison coxo-fémorale, ou hanche (Figure 1). Dans le cadre des amputations transfémorales, on distinguera les désarticulations du genou, dites amputations de Gritti, pour lesquelles le fémur est conservé dans son intégralité, des amputations du fémur, où les condyles et une partie de la diaphyse sont retirés.

L’articulation coxo-fémorale est une articulation synoviale assimilée à une liaison rotule dont les mouvements autorisés sont : la flexion, l’extension, l’abduction, l’adduction ; la rotation interne et la rotation externe .

Structure ligamentaire 

Trois ligaments permettent de stabiliser l’articulation  , il s’agit des ligaments :
• Iliofémoral, situé sur la face antérieure de la hanche,
• Pubofémoral, situé sur la face antéroinférieure de l’articulation,
• Ischiofémoral, localisé sur la face postérieure de la hanche.

Structures musculaires

L’Annexe A récapitule les muscles de la hanche, leurs géométries, insertions, terminaisons et fonctions. Plusieurs groupes musculaires peuvent agir sur l’articulation coxo-fémorale. D’autres structures musculaires résiduelles à l’amputation peuvent également être présentes. Il s’agit des muscles du genou s’insérant sur le fémur. N’intervenant pas dans l’articulation de la hanche, ces muscles ne seront donc pas détaillés ici. La région glutéale se compose des muscles grand, moyen et petit fessiers, des muscles jumeaux, du carré fémoral des muscles obturateurs interne et externe ainsi que du piriforme. Ils se situent sur la face postéro-latérale du pelvis et sur l’extrémité distale du fémur. Ils sont principalement responsables de l’abduction, de l’extension et des rotations externe et interne du fémur. Toujours sur la face postérieure se trouvent les ischio-jambiers se composant du biceps fémoral, du semi-tendineux et du semi-membraneux. Ces muscles participent principalement à l’extension de hanche. Le biceps fémoral a pour origine la face postérieure de la tubérosité ischiatique ainsi que la ligne âpre du fémur. Le semi-tendineux et le semi membraneux, s’insérant tous les deux sur la tubérosité ischiatique agissent également sur l’extension de hanche. Le semi-tendineux se termine sur la face supérieure médiale du tibia tandis que le semi-membraneux se termine sur la face médiale du tibia. Les principaux muscles agissant sur l’adduction de hanche sont les muscles grand, moyen et petit adducteurs, ainsi que le gracile et l’obturateur externe. Les muscles adducteurs s’insèrent sur la branche du pubis et se terminent sur différentes portions de la diaphyse fémorale. Le grand adducteur agit également sur la rotation externe, la flexion et l’extension de hanche. Le moyen adducteur agit quant à lui sur la rotation interne du fémur tandis que le court adducteur permet la rotation externe. Le gracile s’insère lui aussi sur le pubis et de termine sur la surface médiale supérieure du tibia et permet la rotation interne du fémur. L’obturateur externe quant à lui a pour origine la face externe du pubis et se termine sur la fosse trochantérique et agit sur la rotation externe de la hanche. Sur la face antérieure de la cuisse, il est possible d’identifier le muscle pectiné qui s’insère sur le pubis et rejoint la crête du pectiné sur le fémur. Le pectiné est un muscle abducteur et fléchisseur de hanche. Toujours sur la face antérieure, l’iliopsoas se compose du grand psoas et de l’iliaque. Le grand psoas s’insère sur les vertèbres tandis que l’iliaque trouve son origine dans la fosse iliaque de l’ilium. Ces deux muscles ont pour terminaison l’épiphyse supérieure du fémur. Ainsi l’iliopsoas permet la flexion du fémur. Le muscle tenseur du fascia lata, s’insérant sur la crête iliaque et se terminant sous le plateau latéral du tibia permet l’abduction, la rotation interne ainsi que la flexion de hanche. Le sartorius est le plus long muscle du corps humain. Il prend son origine sur l’épine iliaque et se termine sur la surface supérieure médiale du tibia pour agir sur l’adduction et la rotation externe du fémur par rapport au bassin.

Les quadriceps occupent la plus grande part du volume de la cuisse. Parmi ces muscles seul le droit fémoral, prenant son origine au niveau de l’épine iliaque, au dessus de l’acetabulum et sur l’épiphyse proximale du fémur et se terminant sur la tubérosité tibiale, permet la flexion de la hanche.

L’amputation

Dans de nombreux cas, la technique chirurgicale utilisée sera l’ostéomyoplastie . Dans un premier temps le chirurgien procède à l’incision de la peau. L’os est coupé légèrement plus haut que les tissus mous. Les groupes musculaires interne et externe ainsi qu’antérieur et postérieur sont ensuite suturés ensemble en un même point d’attache inférieur, et ce afin de rétablir en partie le jeu agonisteantagoniste des muscles  afin d’éviter leur atrophie et de couvrir l’extrémité distale du fémur d’une épaisse couche de tissus sains.

À la suite de cette amputation, des ossifications hétérotopiques, c’est-à-dire une régénération osseuse anormale, potentiellement douloureuse, peuvent se créer dans les tissus mous. Cette ossification intervient à l’extrémité distale du fémur, modifiant la géométrie distale de ce dernier.

À la suite de l’amputation, une réduction de la masse musculaire ainsi qu’une atrophie des muscles peut intervenir dans les mois qui suivent l’opération. En effet, non seulement l’amputation induit une ablation d’une portion du muscle mais elle touche également aux nerfs permettant le recrutement de ces différentes structures musculaires (Gottschalk, 1999). Durant l’opération, le chirurgien procède à une résection du nerf sciatique. La cicatrisation de ce nerf forme un névrome qui, dans certains cas, peut amener à des douleurs dans le membre résiduel parfois plusieurs années après l’amputation. Toutefois, la plupart du temps ces névromes restent silencieux (Sautreuil et al., 2007).

Appareillage dans le contexte des amputations transfémorales

Qu’est-ce que l’appareillage ?

L’appareillage du membre inférieur est le processus permettant de remplacer le membre amputé par une prothèse afin de permettre la réalisation des tâches de la vie quotidienne le plus simplement et naturellement possible. Cette dernière se compose d’un pied prothétique, d’un genou (dans le cas d’une prothèse fémorale), d’adaptateurs et d’une emboîture qui peut s’accompagner d’un manchon . La prothèse ainsi conçue doit idéalement remplacer le membre amputé en termes de mobilité et de sensation (Orr et al., 1982) tout en étant suffisamment confortable pour être portée. Le visuel de la prothèse est également important pour son acceptation (Murray et al., 2002; Carroll et al., 2004). Une esthétique peut être ajoutée afin que le membre prothétique soit visuellement fidèle au membre sain.

La prothèse est donc un ensemble modulaire dont chaque composant est choisi en fonction des personnes à appareiller, de leurs objectifs, des contraintes médicales et de l’environnement d’utilisation. L’ensemble des réglages des composants et, principalement, l’alignement de la prothèse sont autant de leviers pour s’adapter spécifiquement à la marche d’une personne équipée de sa prothèse. L’alignement est un réglage relatif de la position du pied, du genou et de l’emboîture par rapport au membre résiduel en jouant sur les angles et distances relatives des différents composants.

Lorsque la prothèse n’est pas en appui sur le sol, la liaison entre l’emboiture et le membre résiduel peut se faire par différents moyens regroupés autour du terme générique de « suspension ». Celle-ci peut être réalisée par le biais de ceinture et baudrier . Plusieurs types de ceinture sont utilisés mais leur principe de fonctionnement reste le même. Ces ceintures sont composées de deux parties : une première lanière sert d’attache au bassin de la personne appareillée et une seconde est accrochée à l’emboîture. Ces systèmes sont principalement recommandés pour les personnes ayant des membres résiduels très courts ou ayant du mal à recruter les muscles du membre résiduel. Autrement, une des méthodes de suspension privilégiée est l’isolement à la pression atmosphérique. De manière passive, la dépression réalisée dans l’emboîture est obtenue grâce à une valve de dépressurisation localisée sur la face antérieure de la zone distale de l’emboîture. La personne amputée se met en appui sur sa prothèse afin d’éliminer un maximum d’air entre le membre résiduel et l’emboîture. Après quoi, la valve est refermée, assurant ainsi le maintien en position de la prothèse sur le membre résiduel. Cette technique nécessite cependant que le serrage initial de l’emboîture ne laisse que peu de jeu avec la cuisse. Se faisant, la mise en place de l’emboîture peut s’avérer ardue. L’ajout d’une collerette sur l’emboîture ou le manchon permet de limiter le serrage tout en assurant la dépressurisation (Figure 6b). Cette dépression peut également s’obtenir de manière active à l’aide d’une pompe mécanique ou électrique. La dépressurisation est dans ce cas plus intense et permet de contrôler le volume du membre résiduel qui est alors accolé à la paroi de l’emboîture . Enfin le maintien de la prothèse peut également se faire avec une accroche distale située sur le manchon (Figure 6c). Plutôt conseillée pour les personnes les moins actives, cette solution est plus sécurisante puisque l’accroche est assurée malgré les éventuelles variations de volume du membre résiduel (Kapp, 2000; Muller, 2016).

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Table des matières
1 Les apports de la modélisation numérique pour la compréhension des interactions mécaniques entre le membre résiduel et l’emboîture des personnes amputées au niveau fémoral
1.1 Problématiques et enjeux de la conception des emboîtures fémorales
1.1.1 Description anatomique du membre résiduel
1.1.2 Appareillage dans le contexte des amputations transfémorales
1.1.3 Conception et fabrication de l’emboîture
1.1.4 Synthèse
1.2 Fondements mécaniques pour la conception d’emboiture
1.2.1 Principe de fonctionnement des emboîtures quadrilatérales
1.2.2 Généralisation aux emboîtures à ischion intégré
1.2.3 Cas particulier des emboîtures hydrostatiques sous ischiatiques
1.2.4 Vers une réduction de la surface de contact entre les tissus mous et l’emboîture
1.2.5 Synthèse
1.3 État de l’art de l’analyse de l’interaction du membre résiduel et l’emboîture fémorale
1.3.1 Les facteurs mécaniques et physiologiques affectant la qualité de l’interface
1.3.2 Méthodes expérimentales d’estimation de la pression
1.3.3 Modélisation de l’interaction membre résiduel/emboîture dans le cas des amputations transfémorales
1.4 Synthèse de l’état de l’art et objectifs de la thèse
2 Caractérisation expérimentale du membre résiduel en vue de l’analyse par éléments finis de l’interface avec l’emboîture fémorale
2.1 Bases de données utilisées
2.1.1 Description des bases de données
2.1.2 Exploitation des différentes bases de données
Table des matières
2.2 Caractérisation du comportement mécanique in vivo des tissus mous de la cuisse pour la modélisation éléments finis
2.2.1 Revue de littérature
2.2.2 Travail personnel : Caractérisation des propriétés mécaniques des tissus mous de la cuisse.
2.2.3 Conclusion
2.3 Caractérisation du chargement exercé sur le membre résiduel
2.3.1 Revue de littérature : Estimation du torseur des actions mécaniques du membre résiduel sur le bassin pour la prédiction des efforts des muscles de la hanche
2.3.2 Travail personnel : Modélisation musculosquelettique du membre résiduel et du bassin de sujets amputés au niveau fémoral et évaluation de l’impact de l’appui ischiatique sur l’estimation des efforts musculaires
2.3.3 Conclusion
2.4 Synthèse
3 Travail personnel – Modélisation éléments finis de l’interaction entre le membre résiduel et l’emboîture fémorale : Construction et exploitation
3.1 Simulation des pressions à l’interface entre le membre résiduel et l’emboîture : construction et évaluation d’un modèle de référence
3.1.1 Introduction
3.1.2 Matériels et méthodes : Construction d’un modèle éléments finis du membre résiduel et de l’emboîture
3.1.3 Résultats
3.1.4 Discussion
3.1.5 Conclusion
3.2 Exploitation du modèle éléments finis : influence des paramètres d’entrée du modèle sur la répartition des pressions à l’interface
3.2.1 Introduction
3.2.2 Matériels et méthodes
3.2.3 Résultats
3.2.4 Discussion
3.2.5 Conclusion
Table des matières
3.3 Synthèse
Discussion générale
Annexes
Liste des publications et communications
Bibliographie

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