Développement d'un banc d'essai de flexion pour l'étude des prothèses de genou // Development of a flexion test rig for the study of knee prostheses

La mise en place d'une Prothèse Totale de Genou (PTG) moderne laisse 10 à 25% de patients insatisfaits, se plaignant jusqu'à 45% d'entre eux de douleurs antérieures de genou résiduelles. Ces douleurs sont généralement en rapport avec un excès de contraintes entre la rotule et le fémur prothétique. Elles surviennent globalement lorsque les patients ont les jambes « arquées », c'est-à-dire un mauvais alignement entre le fémur et le tibia. L'objectif du projet est de mettre au point un banc d'essai de flexion de genou capable de donner des informations sur la cause des douleurs. Le projet est un travail préalable à la conception future d'implants fémoraux modulaires prenant en compte le phénotype du genou du patient, qui réduiraient les contraintes sur la rotule ainsi que les douleurs.
Le projet proposé fait suite à une précédente thèse, au cours de laquelle nous avons montré numériquement que le choix de l'alignement des implants avait des conséquences en termes de tension dans les ligaments patellaires (les ailerons), qui pourraient être à l'origine des douleurs résiduelles. Il s'agit désormais de valider ces résultats numériques par des essais expérimentaux. Pour cela, nous avons débuté la conception d'un banc de test de flexion du genou in vitro simulant un mouvement de squat (mouvement le plus défavorable pour les douleurs). Ce nouveau banc d'essais est dans sa phase de fabrication du premier prototype. L'originalité de ce banc d'essai permettra de se différencier du dispositif « Oxford rig » [3] retrouvé dans des études internationales, qui permet d'étudier la flexion du genou mais reste éloigné de la sollicitation réelle et ne permet pas de restituer physiologiquement le mouvement de squat. Le banc réalisé dans le cadre de ce projet prend en compte les limitations de l'étude précédente en reproduisant le mouvement d'une manière plus proche de la réalité.

Les différentes actions envisagées dans le projet sont les suivantes :
1. finalisation du prototype,
2. réalisation des premiers essais sur genoux imprimés en 3D,
3. réalisation des essais sur pièces cadavériques,
4. analyse des résultats,
5. proposition de solutions pour de nouveaux designs de PTG.
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The implantation of a modern Total Knee Arthroplasty (TKA) leaves 10 to 25% of patients dissatisfied, with up to 45% of them complaining of residual anterior knee pain. These pains are generally related to excessive stress between the patella and the prosthetic femur. They typically occur in patients with 'bowed' legs, meaning there is a misalignment between the femur and the tibia.

The objective of this project is to develop a knee flexion test bench capable of providing insights into the causes of pain. This project serves as a preliminary step toward the future design of modular femoral implants that take into account the patient's knee phenotype, aiming to reduce patellar stress and associated pain.

This project follows a previous doctoral thesis in which we numerically demonstrated that the alignment of implants affects the tension in the patellar ligaments (the retinacula), which could be responsible for residual pain. The next step is to validate these numerical results through experimental testing. To achieve this, we have started designing an in vitro knee flexion test bench that simulates a squat motion, which is the most unfavorable movement in terms of pain. The new test bench is currently in the manufacturing phase of its first prototype.

The originality of this test bench lies in its ability to differentiate itself from the 'Oxford rig' [3], which is commonly used in international studies to analyze knee flexion. However, the Oxford rig remains far from real-life conditions and does not accurately reproduce the physiological squat motion. The test bench developed in this project addresses the limitations of the previous study by simulating movement in a way that is closer to reality.

The different steps planned for the project are as follows:

1. Finalization of the prototype,
2. Initial testing on 3D-printed knee models,
3. Testing on cadaveric specimens,
4. Analysis of results,
5. Proposal of solutions for new TKA designs.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Bac+5 en Biomécanique ou Mécanique
MS in Biomechanics or Mechanics