Lett. Méd. Phys. Réadapt. (2010) 26:110-117 DOI 10.1007/s11659-010-0238-8

ARTICLE DE SYNTHÈSE / REVIEW ARTICLE

DOSSIER

Caractéristiques techniques des genoux prothétiques Technical features of knee prostheses D. Azoulay · P. Fode · C. Cazorla · J. Kouvtanovitch · P. Sautreuil · D. Fillonneau © Springer-Verlag France 2010

Résumé Les paramètres de choix d’une articulation prothétique de genou dépendent avant tout d’un examen clinique complet du sujet amputé transfémoral à appareiller. Le mode de vie futur du patient doit être défini avec précision, pour mieux cerner le type de genou à proposer. Cette articulation prothétique doit à la fois assurer la sécurité en phase d’appui et permettre la mobilité en phase oscillante. Ces différentes phases de la marche ne sont pas ressenties et contrôlées de la même façon en fonction de l’âge du patient, du niveau d’amputation et éventuellement des pathologies associées. Cet article décrit les critères mécaniques de chaque famille de genoux. Il a pour but d’aider le prescripteur dans le choix du genou prothétique, afin de proposer au patient la prothèse qui correspondra le mieux à ses besoins. Mots clés Genoux prothétiques · Indications Abstract The selection criteria for a prosthetic knee joint depend primarily on a full clinical examination of the individual who has undergone an above-knee amputation. The future lifestyle of the patient must be elucidated in order to define the most suitable type of prosthesis. The joint must be safe for weight bearing and sufficiently mobile during the swing phase of walking. These different phases of gait vary in sensory input and motor control according to the patient’s age, the level of amputation and the possible presence of other disease. In this article, we describe the mechanical features of each type of artificial knee. The

D. Azoulay (*) · P. Fode · C. Cazorla · J. Kouvtanovitch Antenne du CERAH–INI, 47, rue de l’Échat, F-94000 Créteil, France e-mail : [email protected] P. Sautreuil HIA Percy, 101, avenue Henri-Barbusse, BP 406, F-92141 Clamart cedex, France D. Fillonneau Orthofiga, zone industrielle sud-est, 6, allée de la Bourgonnette, F-35000 Rennes, France

objective is to help the prescriber to choose a prosthesis which can be recommended to the patient as the one which will best fit his needs. Keywords Prosthetic knees · Indications

Introduction Le genou prothétique est un composant important d’une prothèse fémorale, il doit assurer au cours de la marche deux fonctions principales : la stabilité en phase d’appui et une mobilité contrôlée en phase oscillante. La diversité des matériaux proposés aujourd’hui permet de réaliser la prothèse fémorale qui correspondra le mieux aux besoins spécifiques de chaque patient.

Rappel : le cycle de la marche (Fig. 1) Le pas complet comprend 60 % de phase d’appui et 40 % de phase oscillante. Le temps d’appui est décomposé en appui bipodal, en début et en fin de phase, et en appui unipodal en milieu de phase (Fig. 2). Au début de l’appui unipodal, la force de réaction du sol exerce chez le sujet sain un couple de flexion du genou. La flexion est alors contrôlée par les muscles extenseurs du genou. La personne amputée transfémorale peut annuler le moment de flexion appliqué sur le genou, par un moment Mh d’extension de hanche (Fig. 3). La stabilité du genou peut être augmentée en reculant l’axe de rotation du genou prothétique par rapport à la force de réaction au sol. Si le moment produit par les extenseurs de la hanche est suffisamment puissant, le genou sera stable. Au moment de l’initiation de la phase oscillante (Fig. 4), la flexion du genou ne peut être obtenue que si un couple externe de flexion est appliqué sur le genou, celui-ci est obtenu en créant un couple de flexion de hanche Mh. Ainsi, lorsque l’axe du genou prothétique est postériorisé afin d’augmenter la stabilité au début de l’appui, le

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Fig. 1 Le cycle de la marche

Fig. 4 Début de la phase oscillante chez l’amputé fémoral

Fonctionnalités des genoux prothétiques en phase pendulaire Trois modes de régulations Il y a trois possibilités de régulation de la flexion et de l’extension de l’articulation prothétique qui ont des qualités mécaniques différentes : Fig. 2 Début de la phase d’appui unipodal droit

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régulation mécanique : par sangle élastique de rappel ou par ressort, ce système est très léger ; régulation pneumatique : par piston, ce mouvement de rappel est plus dynamique ; il permet un réglage de la variation de la cadence de la marche ; régulation hydraulique : également par piston, elle donne un mouvement plus souple et plus performant, ce qui est intéressant pour les patients dynamiques (marche rapide) ou sportifs (course).

Fonctionnalités des genoux prothétiques en phase pendulaire Fig. 3 Début de la phase d’appui chez l’amputé fémoral doit compenser

couple de flexion de hanche Mh nécessaire à l’initiation de la flexion du genou est augmenté (sa mise en œuvre est facilitée).

Il existe trois modes de gestion. En phase pendulaire, il y a aussi trois possibilités de gestion de la résistance à la flexion et de rappel à l’extension :

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gestion manuelle : elle est statique ; gestion automatique : préprogrammée, elle est variable ; gestion par microprocesseur : elle s’adapte, grâce à l’électronique, à la cadence de marche du patient (Tableau 1).

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Tableau 1 Les fonctionnalités des genoux prothétiques en phase pendulaire

Fonctionnalités des genoux prothétiques en phase d’appui

Fig. 5 Sécurité en phase d’appui avec genou à biellettes

Il existe trois types de fonctionnalités de genoux en phase d’appui. Sécurité statique en phase d’appui Avec la sécurité statique de la phase d’appui, le genou se bloque à l’attaque du talon grâce à un verrouillage géométrique des bielles et le reste pendant le déroulement de la phase d’appui. Ce principe mécanique est très sécurisant (un déroulement du pas proche de la normale), mais il ne permet pas aux patients de conserver une marche physiologique, aussi bien sur les plans inclinés que dans les marches d’escalier (Fig. 5). Sécurité dynamique en phase d’appui Les genoux qui disposent d’un contrôle dynamique de la phase d’appui, généralement équipés d’un piston hydraulique, supportent beaucoup mieux la charge du corps lors de la descente d’escaliers ou de pente (Fig. 6).

Équipement du patient en fonction du niveau d’activité et de ces besoins La nouvelle évaluation des niveaux d’activité des amputés permet d’affiner le choix des différents éléments prothétiques, afin de répondre au mieux aux besoins fonctionnels de nos patients (Tableau 2). L’examen clinique et le projet de vie de notre patient sont des critères indispensables pour finaliser ce choix (Fig. 7).

Fig. 6 Sécurité dynamique de la phase d’appui, flexion progressive du genou lors de la descente d’escalier ou de pente Tableau 2 Les besoins du patient : évaluation du niveau d’activité du patient

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Genoux à verrou Ils sont utilisés chez les patients ayant besoin d’une grande sécurité en phase d’appui. Le verrouillage de l’articulation peut être obtenu par un blocage mécanique, le patient peut contrôler le déverrouillage manuellement afin de permettre une position assise esthétique. Ils ont l’inconvénient de rendre le passage du pas difficile, le pas postérieur est inexistant, la marche est inesthétique et la consommation d’énergie est importante (Fig. 8). Genoux à frein stabilisateur Fig. 7 Analyse des besoins du patient en fonction de son environnement quotidien et de ses activités

Une fois ces différents critères définis, nous pouvons sélectionner une famille de genoux (Tableau 3). Pour les patients nécessitant un contrôle statique de la sécurité en phase d’appui, nous recommandons les genoux à verrou, à frein stabilisateur ou à axe déporté. Pour les patients plus dynamiques, mais recherchant une phase d’appui très stable, les genoux à quatre axes de rotation correspondent à cette demande. Les genoux à cinq et sept axes de rotation bénéficient des mêmes avantages que les genoux à quatre axes, mais ont en plus une préflexion en phase d’appui. La dernière famille de genou est destinée aux patients qui ont non seulement un bon équilibre mais qui sont également très actifs. Les genoux avec contrôle électronique des phases d’appui et pendulaire apportent confort à la marche et sécurité (en terrain accidenté et en pente).

Tableau 3 Choix des genoux en fonction du niveau et du type de sécurité à adopter

Le déverrouillage du genou en phase d’appui peut être évité grâce à une mâchoire bloquant l’axe de flexion du genou en exerçant un couple de résistance à la flexion. Cette mâchoire est activée à partir d’un certain seuil d’effort appliqué sur le genou et se désactive lorsque l’effort repasse en dessous d’un autre seuil. Le réglage de ces deux seuils doit permettre une sécurité en début d’appui tout en permettant de libérer le genou prothétique en phase préoscillante. Ce type de frein est moins « sûr » qu’un genou verrouillé et peut également poser des problèmes pour le transfert de la position debout à assise. En effet, le patient doit décharger totalement sa prothèse afin de pouvoir fléchir le genou pour s’asseoir. L’angle de stabilisation du genou est compris entre 0 et 25 °. Au-delà de cet angle, le genou ne bloque plus à la charge, donc fléchit (Fig. 9). Genoux à axes déportés Ils permettent de bloquer l’articulation en phase d’appui, en agissant sur le positionnement du centre de rotation par rapport à la ligne de charge.

Fig. 8 Les genoux à verrou

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Les genoux à quatre axes de rotation sont destinés aux patients ayant une déambulation sur sol plat et un périmètre de marche limité. En phase d’appui, verrouillés en extension, ce sont des genoux sécurisants. En phase pendulaire, par le jeu de croisement des bielles, ils bénéficient d’un raccourcissement du segment jambier de l’ordre de 2 cm (ce qui facilite le passage du pas). La gestion est mécanique, pneumatique ou hydraulique en fonction du niveau d’activité. Genoux à cinq ou sept axes de rotation Fig. 9 Les genoux à frein stabilisateur

En effet, plus le centre de rotation est postériorisé, plus le mouvement de la force en phase d’appui tendra à obliger le genou à se mettre en extension. La marche est peu esthétique, le passage du pas est difficile et la consommation d’énergie est importante (Fig. 10). Genoux polycentriques Les concepts de stabilité du genou présentés par Radcliffe en 1958 ont notamment permis l’émergence de genoux polycentriques pour lesquels la position du centre instantané de rotation en extension complète est postérieure et proximale. La position postérieure permet de minimiser les forces nécessaires à la hanche pour maintenir un couple d’extension par rapport au centre instantané de rotation. La position proximale du centre de rotation permet de pouvoir inverser ce couple au moment de la phase préoscillante. Le fonctionnement de ce type de genou est directement lié à l’arrangement géométrique définissant la trajectoire du centre instantané de rotation du genou.

Fig. 10 Les genoux à axe déporté

Ils ont les mêmes caractéristiques techniques que les genoux à quatre axes de rotation, avec en plus, du fait des axes supplémentaires, une possibilité de préflexion en phase d’appui. Les solutions existantes utilisent généralement deux axes de rotation supplémentaires différents. L’axe de rotation permettant la flexion en phase d’appui est généralement plus antérieur que l’axe de flexion utilisé pour la phase oscillante (Figs. 11 et 12). Avec ces genoux, la géométrie des bielles permet une phase d’appui très stable sur les terrains plats et dans les pentes inférieures à 15 °, mais la descente d’escaliers et de pentes fortes reste risquée (Fig. 13). Les genoux à contrôle dynamique de la phase d’appui sont avec vérin hydraulique de type SNS. La variation des cadences est importante. Il y a une grande stabilité en phase d’appui. La possibilité à l’aide d’un loquet de verrouiller (et de déverrouiller) le vérin manuellement permet au genou de s’adapter aux différentes activités du patient. Ils sont recommandés pour des patients très actifs.

Fig. 11 Les genoux polycentriques à quatre axes de rotation

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L’unité hydraulique est facilement réglable pour ajuster au mieux le rappel à l’extension et la résistance à la flexion (Fig. 14). Genoux à frein par unité hydraulique rotative L’articulation du genou comporte dans sa partie supérieure un cylindre circulaire noyé dans l’huile dans lequel tourne un piston (Fig. 15). Un jeu de clapets activés lors de la mise en charge sur la prothèse régule le flux d’huile et contrôle de ce fait la sécurité dans les différentes phases de la marche. Ce genou réclame une grande rigueur dans ces réglages. Grâce à cette unité hydraulique, la descente des escaliers et des pentes est possible. Il est recommandé pour des patients actifs. Fig. 12 Les genoux polycentriques à cinq ou sept axes de rotation

Genoux hybrides Certains genoux ont l’avantage de bénéficier de pistons hydrauliques pour le contrôle de la phase d’appui et d’un piston pneumatique géré par microprocesseur pour une meilleure adaptation à la vitesse de marche. Ils sont recommandés pour des patients actifs. Genoux avec gestion électronique de la phase d’appui et pendulaire D’autres genoux hydrauliques sont également entièrement asservis par microprocesseur, c’est le cas du genou C-leg. Le principal intérêt de ce genou réside dans sa gestion des phases d’appui et oscillantes par microprocesseur au pas par pas. Il assure entre autres une sécurité dans toutes les phases de la mobilité (Fig. 16). Genou rhéomagnétique Fig. 13 La géométrie des genoux à cinq et sept axes permet une descente en sécurité des pentes de 15°

Fig. 14 Le genou avec unité hydraulique débrayable

Cette articulation a la particularité de baigner dans un bain de liquide chargé de particules métalliques. La viscosité

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Fig. 15 Articulation de genou à hydraulique rotative

Fig. 17 Articulation de genou rhéomagnétique

Fig. 16 Genoux avec gestion électronique de la phase d’appui et pendulaire (genou C-leg®)

du liquide se modifie en fonction de l’intensité du champ magnétique auquel il est exposé. Trois capteurs intégrés à l’articulation fournissent les informations relatives au positionnement dans l’espace de la prothèse, le microprocesseur ajuste le champ magnétique pour adapter la viscosité du liquide, en fonction des besoins ordonnés. Ils sont recommandés pour des patients actifs, voire très actifs (Fig. 17). Power knee C’est la première prothèse motorisée pour les amputés transfémoraux. L’amputé exécute le premier pas sur la jambe valide, laquelle possède des capteurs positionnés sur le pied, mesurant de façon adéquate le mouvement, la charge et la position du membre au taux de 1 350 fois par seconde. Ces informations sont transmises au genou qui utilise son intelligence artificielle pour anticiper les données requises. Ayant détecté le type d’activité dans laquelle le patient

Fig. 18 Articulation de genou Power knee

s’engage, l’intelligence artificielle est en mesure de calculer la puissance précise et de générer la fonction prothétique appropriée. L’avantage le plus remarqué du Power knee est indubitablement la possibilité pour l’utilisateur de monter un escalier en pas alternés (Fig. 18).

Conclusion Nous avons donné ici une image du « marché » actuel des genoux prothétiques. Les avancées rapides dans les

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laboratoires de recherche et développement des fabricants nous laissent espérer de nouvelles technologies de plus en plus fiables, avec une intelligence accrue et surtout une autonomie augmentée. Mais ces technologies sont exigeantes pour l’orthoprothésiste qui doit bien connaître les caractéristiques biodynamiques de ce matériel, mais également pour le médecin MPR qui doit faire le choix le mieux adapté à son patient en

ABCD

fonction de son âge, de ses capacités physiques, de ses activités et de ses possibilités d’adaptation. Le but final, qui reste identique quelle que soit l’époque, c’est l’efficacité de l’appareillage prothétique, une marche avec un maximum de sécurité, une liberté la plus proche possible du sujet non amputé. Conflit d’intérêt : aucun.

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