Study, Design and Evaluation of an Actuated Knee Implant for Postoperative Ligament Imbalance Correction
Etude, mise en oeuvre et évaluation d'une prothèse instrumentée de genou pour la correction du déséquilibre ligamentaire post-opératoire
Résumé
Collateral ligaments tensioning is a key achievement of Total Knee Arthroplasty (TKA). This stage, which directly determines the postoperative knee joint function and the implant lifespan, cannot be standardised for all patients and highly relies on the surgeons experience and perception. Over the last twenty-five years, the design of instrumented knee prostheses has been accepted as a way forward to provide the surgeon with useful pre- and intraoperative assistance. Nevertheless, suboptimal collateral ligaments tension values are practically unavoidable and may lead to severe postoperative complications; in the worst-case scenario, revision surgery might be necessary already a few years after primary TKA. In such framework, this work aims to propose a novel instrumented knee implant able to detect collateral ligaments laxity conditions right after primary TKA and, if needed, compensate for any detected inaccuracy in the postoperative period. A miniaturised actuation system embedded in the tibial baseplate can be employed to adjust the inclination of the tibial tray and re-tighten a too lax collateral ligament. Such correcting action, carried out to restore optimal balance conditions before the occurrence of more severe complications, is intended to improve the prosthesis lifespan and, contextually, reduce the need for revision surgery. To this end, a compact and robust mechanical structure was dimensioned in order to fulfil the aforementioned clinical needs while facing with technical and technological limitations. Smart design choices resulted in a good system efficiency, as proved by the mechanical model static force analysis. Simulations run on the implant 3D model allowed to perform useful design optimisations and to estimate the components robustness properties. Upon fabrication of the proposed instrumented tibial component full-scale prototype, stability and force sensors tests on a knee simulator were defined to evaluate the actuation system working principle and assess the effectiveness of the proposed design choices under normal working conditions. The very promising results of the experimental validation stage also provided precious indications for future work and improvements.
Un des objectifs principaux de lArthroplastie Totale du Genou (ATG) est la mise en place de conditions appropriées de tension ligamentaire au niveau des deux ligaments collatéraux de l¿articulation. Cette étape, qui est effectuée manuellement par le chirurgien, détermine directement la fonctionnalité de l¿implant prothétique et sa durée de vie postopératoire. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs outils ont été développés en tant qu¿outils d¿aide au chirurgien pour la phase d¿équilibrage ligamentaire. En dépit de cela, les imprécisions peropératoires sont pratiquement inévitables et risquent de donner lieu à des complications postopératoires. Dans le pire des cas, une reprise chirurgicale devient nécessaire pour rétablir des conditions d¿équilibre optimales. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif l¿étude, la conception et l¿analyse d¿un modèle original de prothèse instrumentée de genou qui soit capable de détecter toute condition de laxité ligamentaire postopératoire et, si nécessaire, de la compenser. Un système d¿actionnement miniaturisé embarqué dans l¿embase tibiale a été proposé pour ajuster l¿inclinaison du plateau tibial de façon à retendre un ligament collatéral trop relâché. Cette opération, réalisée avant la survenue de complications plus graves, est suffisante pour rétablir des conditions d¿équilibre optimales sans besoin dune seconde intervention chirurgicale. Pour ce faire, une structure mécanique a été conçue et dimensionnée de façon à répondre aux besoins cliniques tout en faisant face aux contraintes de biocompatibilité imposées par un milieu biologique tel que celui du genou. L¿analyse du modèle mécanique du système d¿actionnement proposé a confirmé son bon rendement; les simulations effectuées sur le modèle 3D de l¿implant ont permis d¿en optimiser la conception. Suite à la fabrication d¿un prototype à taille réelle de l¿implant proposé, des essais expérimentaux ont été conduits à laide d¿un simulateur du genou pour valider le principe de fonctionnement du système d¿actionnement et pour en évaluer les performances lors de la marche. Les résultats très prometteurs de la phase de validation expérimentale ont également fourni des indications précieuses pour l¿orientation et la suite de travaux futurs.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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