Elaboration of a hip joint mechanical model under dynamical loading – Evaluation of the influence of foot orthoses on an osteoarthritic hip joint
Elaboration d'un modèle mécanique de l'articulation de la hanche sous sollicitations dynamiques – Application à l'étude de l'influence d'une orthèse podale sur une hanche arthrosique
Résumé
The aim of this study is to elaborate a mechanical model of the healthy hip joint. The main objective is to use it as a reference model in order to analyse pathological hip joint mechanical behaviours and evaluate prescribed treatment by comparison of pre vs. post simulated behaviours. Therefore, a generic finite element model of the hip joint is developed. Experimental acquisitions of kinematical and kinetic data are implemented in a musculo-skeletal model to calculate muscular forces acting at the hip joint. Our approach consists in coupling an inverse dynamic method with static optimisation. From the evaluation of each individual hip muscle force, the contact reaction force is computed. The contact reaction force is then implemented in the finite element model in order to perform simulations for several instants of the stance phase of gait and stair climbing. Contact pressure distributions during the stance phase of gait are compared to those available in the literature, measured in vivo by mean of instrumented prosthesis or cadaveric experiments simulating gait cycles. A clinical application concerns the evaluation of the effect of foot orthoses on the mechanical behaviour of an osteoarthritic hip joint. The loading conditions at the hip joint, when the patient is walking or climbing a step successively with and without foot orthoses, is determined in each experimental conditions using the approach previously described.
L'objectif de ce travail est d'élaborer un modèle mécanique de la hanche saine susceptible d'être utilisé comme référence pour pouvoir ensuite analyser le comportement de hanches pathologiques en évaluant l'effet des traitements préconisés par comparaison des différents comportements simulés. Dans ce contexte, un modèle éléments finis générique de l'articulation de la hanche est développé. Il est également nécessaire de déterminer l'état de chargement de l'articulation de la hanche pour notre simulation. L'analyse du mouvement permet le calcul des données cinématiques et dynamiques à partir des mesures expérimentales. A partir de ces données, un modèle musculo-squelettique associant une méthode de dynamique inverse et d'optimisation statique, permet de déterminer les efforts musculaires mis en jeu par les muscles croisant l'articulation de la hanche. L'évaluation des forces développées par les muscles de la hanche permet de calculer la réaction de contact articulaire exercée par le fémur sur le bassin. C'est cette réaction que nous implémentons dans le modèle éléments finis. Ainsi, les simulations du comportement de la hanche saine sont réalisées pour la phase d'appui de la marche et la phase d'appui de la montée d'escaliers. Nous traitons ensuite d'une application clinique visant à évaluer l'influence du port d'une orthèse podale sur le comportement mécanique d'une hanche arthrosique. La démarche suivie est la même que celle mise en place pour l'étude du comportement de la hanche saine. L'état de chargement de la hanche arthrosique est déterminé chez le patient pendant la marche et la montée d'escaliers évoluant successivement avec puis sans orthèses.
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