Influence des caractéristiques anatomiques individuelles sur les altérations de marche: Impact sur la cinétique articulaire du membre inférieur

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URL: http://hdl.handle.net/20.500.11794/70378

Abstract (French)

Introduction : Il est estimé que 10 à 15% des individus âgés de plus de 60 ans sont atteints d’arthrose de degrés variés, ce qui engendre des coûts élevés pour nos systèmes de santé. En particulier, l’arthrose fémoro-tibiale interne entraîne une diminution de l’activité physique et une plus grande sédentarité de la population atteinte à cause de la douleur ressentie durant les activités de la vie de tous les jours, comme la marche. Il a été montré que les personnes souffrant d’arthrose fémoro-tibiale ont souvent recours à des stratégies motrices compensatoires pour palier à la douleur. Ces stratégies motrices agissent en latéralisant les forces de contact articulaire, diminuant les contraintes entre le condyle fémoral et le plateau tibial interne. C’est ainsi que le ré-entraînement de la marche, une intervention prospective élaborée en recherche, qui vise à altérer le patron de marche des individus dans le but de diminuer les contraintes entre le condyle et le plateau tibiale a vu le jour. Toutefois, la relation entre les forces de contact articulaire et les modifications de marche n’a, à notre connaissance, pas été quantifiée. De plus, l’impact des modifications de marche sur les articulations de la cheville et de la hanche n’ont que peu été décrit dans la littérature scientifique. C’est pourquoi l’objectif général de la thèse est de décrire l’impact individuel d’une modification de la marche dans le but d’optimiser son implémentation dans la pratique clinique. L’hypothèse générale associée est qu’une modification de marche à un impact sur la cinématique et la cinétique de chaque articulation du membre inférieur. De plus, l’impact de ces modifications est modulée par l’indice de masse corporel et l’alignement du membre inférieur de chaque individu.

Méthode : La collecte des données cinématiques et cinétiques a été effectuée à l’aide d’un système de capture du mouvement Vicon (9 caméras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) et d’un tapis roulant instrumenté avec deux plateformes de force (Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Les individus ont altéré leur marche à l’aide d’une rétroaction visuelle projetée sur un écran placé devant eux (Chapitre 4, N = 23 participants sains ; Chapitre 6, N = 29 participants sains). Les données de 120 individus souffrant d’arthrose fémoro-tibiale, ont été collectées la semaine précédant une arthroplastie totale unilatérale du genou. L’alignement du membre inférieur préopératoire a été évalué à l’aide d’une radiographie complète du membre inférieur et à l’aide d’un système de capture du mouvement (12 caméras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) dans une position debout standardisée.

Résultats : Une modification de marche, simple ou combinée, visant à diminuer le moment d’adduction au genou impact aussi la cinétique à la cheville et/ou la hanche de manière significative (Chapitre 4). Un système de capture du mouvement n’est pas fiable pour estimer l’alignement du membre inférieur chez des individus avec un indice de masse corporel supérieur à 30kg/m² (Chapitre 5). L’interaction entre l’alignement du membre inférieur et les altérations de marche contribuent significativement à la variance observée aux moments de force externes chez une partie des individus (Chapitre 6).

Conclusions : Une modification de marche implique aussi des variations significatives des moments de force externes au niveau de la cheville et de la hanche, et qui sont de plus modulées par les caractéristiques anatomiques individuelles. Les résultats soutiennent donc une approche personnalisée des modifications de la marche. En effet, d’un point de vue clinique, l’imagerie fournit des mesures objectives et directes des caractéristiques anatomiques individuelles, qui peuvent être utilisées en conjonction avec une analyse de mouvement spécifique au patient, pouvant fournir ainsi des informations importantes sur la façon dont l’anatomie et la biomécanique interagissent et peuvent être mises à profit pour améliorer et optimiser l’efficacité du ré-entraînement de la marche. En ce qui concerne la recherche, il sera important d’identifier les mécanismes qui expliquent la grande variabilité inter-sujet observée lors de l’adoption d’un nouveau patron de marche.

Abstract (English)

Introduction : It is estimated that 10% to 15% of people over the age of 60 have osteoarthritis of varying degrees, which results in high costs to healthcare systems. In particular, femoro-tibial osteoarthritis leads to a decrease in physical activity and a greater sedentary lifestyle due to the pain experienced during activities of daily living, such as walking. It has been shown that people with femoro-tibial osteoarthritis often use compensatory motor strategies for pain relief. These compensatory motor strategies act by lateralizing the joint contact forces, reducing the constraints between the femoral condyle and the internal tibial plateau. Gait retraining, a prospective intervention developed in research, aims to alter the gait pattern of individuals in order to reduce the constraints between the condyle and the tibial plateau. However, the relationship between joint contact forces and gait alterations has not, to our knowledge, been quantified. In addition, the impact of gait alterations on the ankle and hip joints is not well documented. This is why the general objective of the thesis is to describe the individual impact of gait retraining in order to optimize its implementation in clinical practice. The associated general hypothesis is that a change in gait has an impact on the kinematics and kinetics of each joint of the lower limb. In addition, the impact of these alterations is modulated by the body mass index and lower limb alignment of each individual.

Methods : Kinematic and kinetic data collection was carried out using a Vicon motion capture system (9 cameras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) and an instrumented treadmill with two force platforms ( Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Individuals altered their gait using visual feedback projected onto a screen placed in front of them (Chapter 4, N = 23 healthy participants ; Chapter 6, N = 29 healthy participants). Data from 120 individuals (Chapter 5) suffering from femoro-tibial osteoarthritis were collected the week preceding a unilateral total knee arthroplasty. Preoperative lower limb alignment was assessed using a total lower limb radiography and motion capture system (12 cameras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) in a standariv dized standing position.

Results : A gait alteration, single or combined, aimed at reducing the knee adduction moment also significantly impacts ankle and/or hip kinetics (Chapter 4). A motion capture system is not reliable for lower limb alignment estimation in individuals with a body mass index greater than 30kg/m² (Chapter 5). The interaction between lower limb alignment and gait alterations significantly contributes to the variance observed in lower limb joints external moments in some individuals (Chapter 6).

Conclusion : Impaired gait also involves significant variations in external moments at the ankle and hip, which are further modulated by individual anatomical characteristics. The results therefore support a personalized approach to gait retraining. Indeed, from a clinical point of view, imaging provides objective and direct measurements of individual anatomical features, which can be used in conjunction with patient-specific motion analysis, thus providing important information on how anatomy and biomechanics interact and can be used to improve and optimize the efficiency of gait retraining. As far as research is concerned, it will be important to identify the mechanisms that explain the great inter-subject variability observed during the adoption of a new gait pattern.

Cited Works (28)

Year	Entry
1992	Perry J. Gait Analysis: Normal and Pathological Function. Thorofare, NJ: SLACK Incorporated; 1992.
1992	Mow VC, Ratcliffe A, Robin Poole A. Cartilage and diarthrodial joints as paradigms for hierarchical materials and structures. Biomaterials. 1992;13(22):67-97.
2000	Grodzinsky AJ, Levenston ME, Jin M, Frank EH. Cartilage tissue remodeling in response to mechanical forces. Annu Rev Biomed Eng. 2000;2:691-713.
1987	Felson DT, Naimark A, Anderson J, Kazis L, Castelli W, Meenan RF. The prevalence of knee osteoarthritis in the elderly: the Framingham Osteoarthritis Study. Arthritis Rheum. August 1987;30(8):914-918.
2005	Chiari L, Della Croce U, Leardini A, Cappozzo A. Human movement analysis using stereophotogrammetry, II: instrumental errors. Gait Post. February 2005;21(2):197-211.
1995	Smith RL, Donlon BS, Gupta MK, Mohtai M, Das P, Carter DR, Cooke J, Gibbons G, Hutchinson N, Schurman DJ. Effects of fluid-induced shear on articular chondrocyte morphology and metabolism in vitro. J Orthop Res. November 1995;13(6):824-831.
2002	Hurwitz DE, Ryals AB, Case JP, Block JA, Andriacchi TP. The knee adduction moment during gait in subjects with knee osteoarthritis is more closely correlated with static alignment than radiographic disease severity, toe out angle and pain. J Orthop Res. January 2002;20(1):101-107.
2007	Landry SC, McKean KA, Hubley-Kozey CL, Stanish WD, Deluzio KJ. Knee biomechanics of moderate OA patients measured during gait at a self-selected and fast walking speed. J Biomech. 2007;40(8):1754-1761.
1991	Davis RB III, Õunpuu S, Tyburski D, Gage JR. A gait analysis data collection and reduction technique. Hum Mov Sci. October 1991;10(5):575-587.
2001	Sharma L, Song J, Felson DT, Cahue S, Shamiyeh E, Dunlop DD. The role of knee alignment in disease progression and functional decline in knee osteoarthritis. JAMA. July 11, 2001;286(2):188-195.
1998	Carter DR, Beaupré GS, Giori NJ, Helms JA. Mechanobiology of skeletal regeneration. Clin Orthop Relat Res. October 1998;355(suppl):S41-S55.
2007	Fregly BJ, Reinbolt JA, Rooney KL, Mitchell KH, Chmielewski TL. Design of patient-specific gait modifications for knee osteoarthritis rehabilitation. IEEE Trans Biomed Eng. September 2007;54(9):1687-1695.
2004	Andriacchi TP, Mündermann A, Smith RL, Alexander EJ, Dyrby CO, Koo S. A framework for the in vivo pathomechanics of osteoarthritis at the knee. Ann Biomed Eng. March 2004;32(3):447-457.
2015	Pataky TC, Vanrenterghem J, Robinson MA. Zero- vs. one-dimensional, parametric vs. non-parametric, and confidence interval vs. hypothesis testing procedures in one-dimensional biomechanical trajectory analysis. J Biomech. May 1, 2015;48(7):1277-1285.
2002	Wu G, Siegler S, Allard P, Kirtley C, Leardini A, Rosenbaum D, Whittle M, D'Lima DD, Cristofolini L, Witte H, Schmid O, Stokes I. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion, I: ankle, hip, and spine. J Biomech. 2002;35(4):543-548.
1991	Winter DA. The Biomechanics and Motor Control of Human Gait: Normal, Elderly and Pathological. 2nd ed. Waterloo, ON: University of Waterloo Press; 1991.
1957	Kellgren JH, Lawrence JS. Radiological assessment of osteo-arthrosis. Ann Rheum Dis. December 1957;16(4):494-502.
2002	Miyazaki T, Wada M, Kawahara H, Sato M, Baba H, Shimada S. Dynamic load at baseline can predict radiographic disease progression in medial compartment knee osteoarthritis. Ann Rheum Dis. July 2002;61(6):617-622.
2002	Baliunas AJ, Hurwitz DE, Ryals AB, Karrar A, Case JP, Block JA, Andriacchi TP. Increased knee joint loads during walking are present in subjects with knee osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. July 2002;10(7):573-579.
2005	Leardini A, Chiari L, Della Croce U, Cappozzo A. Human movement analysis using stereophotogrammetry, III: soft tissue artifact assessment and compensation. Gait Post. February 2005;21(2):212-225.
2015	Lerner ZF, DeMers MS, Delp SL, Browning RC. How tibiofemoral alignment and contact locations affect predictions of medial and lateral tibiofemoral contact forces. J Biomech. February 26, 2015;48(4):644-650.
2005	Della Croce U, Leardini A, Chiari L, Cappozzo A. Human movement analysis using stereophotogrammetry, IV: assessment of anatomical landmark misplacement and its effects on joint kinematics. Gait Post. February 2005;21(2):226-237.
1995	Cappozzo A, Catani F, Della Croce U, Leardini A. Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech (Bristol, Avon). June 1995;10(4):171-178.
2010	Ackermann M, van den Bogert AJ. Optimality principles for model-based prediction of human gait. J Biomech. April 19, 2010;43(6):1055-1060.
1998	Messner K, Gao J. The menisci of the knee joint: anatomical and functional characteristics, and a rationale for clinical treatment. J Anat. August 1998;193(2):161-178.
2007	Riley PO, Paolini G, Della Croce U, Paylo KW, Kerrigan DC. A kinematic and kinetic comparison of overground and treadmill walking in healthy subjects. Gait Post. 2007;26(1):17-24.
2001	Kaufman KR, Hughes C, Morrey BF, Morrey M, An K-N. Gait characteristics of patients with knee osteoarthritis. J Biomech. July 2001;34(7):907-915.
1995	Wu G, Cavanagh PR. ISB recommendations for standardization in the reporting of kinematic data. J Biomech. 1995;28(10):1257-1261.