Anatomie et physiologie du genou

Anatomie et physiologie du genou 

Avant de détailler l’ensemble des méthodes permettant d’évaluer la cinématique 3D du genou, nous avons jugé opportun de présenter succinctement l’anatomie et la physiologie de cette articulation, ainsi que la pathophysiologie de l’OA. De fait, nous traiterons ici des différentes structures qui octroient au genou sa remarquable mobilité, tout en abordant les conséquences de l’OA qui compromettent cette caractéristique fonctionnelle essentielle.

Les articulations

Le genou est, comme nous l’avons suggéré plus haut, « l’articulation la plus volumineuse et la plus complexe de toutes les articulations » du corps humain (Marieb, 2005, p. 209). Le genou est en effet constitué de trois articulations, à savoir deux articulations fémoro-tibiales et une articulation fémoro-patellaire (Marieb, 2005). Les deux premières articulations se situent entre les condyles et les plateaux médiaux et latéraux du fémur et du tibia respectivement . S’apparentant à des ellipsoïdes, ou plus simplement à des sphères, les condyles du fémur reposent sur les surfaces concaves des plateaux du tibia, généralement représentées par des sphères ou de simples plans (Martelli et Pinskerova, 2002; Parenti-Castelli et Sancisi, 2013; Turcot, 2007). La forme spécifique et la faible congruence des surfaces articulaires fémoro-tibiales octroient au genou une très grande mobilité mais aussi une stabilité restreinte (Turcot, 2007). Les plateaux du tibia sont néanmoins surmontés de deux disques fibro-cartilagineux en forme de croissants incurvés – les ménisques médial et latéral – dont le rôle est de stabiliser les articulations fémoro tibiales tout en absorbant les chocs auxquels elles sont soumises (Hunter, 2009; Marieb, 2005).

La troisième articulation du genou intervient entre la trochlée du fémur et la face postérieure de la rotule . Cette articulation autorise principalement le glissement de la rotule sur le fémur au cours des mouvements de flexion-extension fémoro-tibiale. En plus de protéger le genou, l’articulation fémoro-patellaire a pour fonction de maximiser les efforts transmis par les muscles du quadriceps au tibia en augmentant leur bras de levier (Marieb, 2005).

Bien qu’elles soient distinctes, les articulations fémoro-tibiales et fémoro-patellaire sont « intimement liées de manière anatomique et fonctionnelle » (Turcot, 2007, p. 6). Leur combinaison confère au genou une grande mobilité 3D, qui ne peut être parfaitement décrite qu’à l’aide de six degrés de liberté (DDL) indépendants (Grood et Suntay, 1983). D’un point de vue clinique, ces six DDL se traduisent par trois rotations, soit la flexion-extension, l’abduction-adduction et la rotation interne-externe, et par trois déplacements, soit les déplacements antéro-postérieur, médio-latéral et proximo-distal .

Les ligaments

Le genou comporte plusieurs ligaments dont la fonction est de stabiliser et de guider les mouvements des articulations fémoro-tibiales et fémoro-patellaire. Les articulations fémorotibiales sont entourées de six ligaments : les ligaments collatéraux médial (LCM) et latéral (LCL), les ligaments croisés antérieur (LCA) et postérieur (LCP) , et les ligaments poplités oblique et arqué. Le LCM et le LCL jouent un rôle primordial dans le maintien de l’abduction-adduction et de la rotation interne-externe du genou. De son côté, le LCA représente le stabilisateur primaire du déplacement antérieur du tibia par rapport au fémur et d’hyper-extension de l’articulation du genou, tandis que le LCP limite le déplacement postérieur du tibia par rapport fémur. Finalement, les ligaments poplités oblique et arqué servent à renforcer la partie postérieure des articulations fémoro-tibiales (Marieb, 2005).

L’articulation fémoro-patellaire présente quant à elle trois ligaments principaux : le ligament patellaire et les rétinaculums patellaires médial et latéral . Représentant le prolongement du tendon des muscles du quadriceps, ces trois ligaments stabilisent la rotule au niveau de la trochlée fémorale et participent activement au maintien du genou ainsi qu’à sa mise en mouvement (Marieb, 2005).

Les muscles 

Les nombreux muscles englobant le genou font partie des plus puissants du corps humain, et représentent les principaux stabilisateurs de l’articulation (Marieb, 2005). Plusieurs d’entre eux contrôlent directement les mouvements des articulations fémoro-tibiales et fémoropatellaire. Les quadriceps – constitués du droit de la cuisse et des vastes médial, latéral et intermédiaire – sont responsables de l’extension du genou . De leur côté, les ischiojambiers – composés du biceps-fémoral, du semi-tendineux et du semi-membraneux – actionnent la flexion et la rotation interne externe de l’articulation. Cinq autres muscles, moins volumineux que les précédents, interviennent également au niveau de la flexion et de la rotation interne du genou, à savoir le gracile, le sartorius, les gastrocnémiens, le plantaire et le poplité (Marieb, 2005).

Pour finir, il est bon de noter qu’en plus de mettre en mouvement les os du genou, les muscles précédemment cités jouent un rôle de protection primordial. Il a par exemple été démontré qu’une faiblesse des quadriceps entraine non seulement une diminution de la stabilité du genou, mais également une réduction de sa capacité à encaisser les chocs, ce qui constitue un des facteurs de risque de progression de l’OA, tel que décrit plus bas (Hunter, 2009).

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Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Anatomie et physiologie du genou
1.1.1 Les articulations
1.1.2 Les ligaments
1.1.3 Les muscles
1.1.4 L’arthrose
1.2 Analyse cinématique 3D du genou : les techniques d’imagerie médicale
1.2.1 Modélisation géométrique 3D du genou
1.2.2 La fluoroscopie monoplan
1.2.3 La fluoroscopie biplan
1.2.4 L’IRM
1.2.5 Cinématique 3D du genou en accroupissement
1.3 Analyse cinématique 3D du genou : la stéréophotogrammétrie
1.3.1 Quantification des ATM
1.3.2 Les systèmes d’attaches externes
1.3.3 Les méthodes mathématiques sans modèle a priori des ATM
1.3.3.1 La méthode d’optimisation par segment
1.3.3.2 La méthode de solidification
1.3.3.3 La méthode du groupe de marqueurs
1.3.3.4 La méthode d’optimisation multi-corps : paramétrage relatif
1.3.3.5 La méthode d’optimisation multi-corps : filtre de Kalman
1.3.3.6 La méthode d’optimisation multi-corps : paramétrage absolu
1.3.4 Les méthodes mathématiques avec modèle a priori des ATM
1.3.4.1 La méthode de calibration dynamique
1.3.4.2 La méthode de double calibration
1.3.4.3 La méthode de déformation par intervalle
1.4 Synthèse et limites des méthodes d’analyse cinématique 3D du genou
CHAPITRE 2 HYPOTHÈSES, OBJECTIFS ET MÉTHODES 
2.1 Hypothèses et objectif principal
2.2 Approche méthodologique proposée
2.3 Hypothèses et objectifs spécifiques
CHAPITRE 3 ARTICLE RÉDIGÉ : QUANTIFICATION DES ATM AU COURS
D’ACCROUPISSEMENTS SOUS CHARGE ENREGISTRÉS PAR
LE KNEEKG™ 
3.1 Mise en contexte
3.2 Introduction
3.3 Méthode
3.3.1 Sujets
3.3.2 Protocole expérimental
3.3.3 Traitement des données
3.4 Résultats
3.5 Discussion
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 PUBLISHED ARTICLE: COMPARISON OF QUASI-STATIC
AND DYNAMIC SQUATS – A THREE-DIMENSIONAL
KINEMATIC, KINETIC AND ELECTROMYOGRAPHIC STUDY
OF THE LOWER LIMBS 
4.1 Mise en contexte
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Methods
4.4.1 Subjects
4.4.2 Instrumentation
4.4.3 Experimental protocol
4.4.4 Data processing
4.5 Results
4.6 Discussion
4.7 Conclusion 
CHAPITRE 5 SUBMITED ARTICLE: IN VIVO 3D KINEMATIC ANALYSIS
OF LOWER LIMBS WITH KNEE OSTEOARTHRITIS –
VALIDATION OF JOINT MODELS WITH A LOW-DOSE
X-RAY SYSTEM 
5.1 Mise en contexte
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Methods
5.4.1 Subjects
5.4.2 Experimental protocol
5.4.3 Data processing
5.5 Results
5.6 Discussion
5.7 Conclusion
CHAPITRE 6 SUBMITED ARTICLE: SOFT TISSUE ARTEFACTS
COMPENSATION IN KNEE KINEMATICS BY MULTI-BODY
OPTIMIZATION: PERFORMANCE OF SUBJECT-SPECIFIC
KNEE JOINT MODELS 
6.1 Mise en contexte
6.2 Abstract
6.3 Introduction
6.4 Methods
6.4.1 Subjects
6.4.2 Experimental protocol
6.4.3 Parameter definition
6.4.4 Image processing and quasi-static knee kinematics
6.4.5 Knee modelling
6.4.6 Multi-body optimization
6.4.7 Compensation for STA
6.5 Results
6.6 Discussion
6.7 Conclusion
CHAPITRE 7 FUSION DE LA GÉOMÉTRIE ET DE LA CINÉMATIQUE 3D
DU GENOU : CALCUL DES SURFACES DE CONTACT
ARTICULAIRES DU GENOU 
7.1 Introduction
7.2 Méthode et résultats préliminaires
7.3 Conclusion
CHAPITRE 8 DISCUSSION GÉNÉRALE 
8.1 Synthèse des travaux
8.2 Limites et recommandations
8.2.1 Gabarit de positionnement
8.2.2 Modélisation personnalisée du genou
8.2.3 Méthode de validation
8.2.4 Mouvement étudié
CONCLUSION GÉNÉRALE

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