La tomographie par rayon X

Les scanners standard permettent de générer des images dont les voxels ont des dimensions variant entre 300 et 500 μm dans le plan de coupe et d’épaisseur de 1 à 3 mm. Ces scanners ne sont pas appropriés pour observer l’os trabéculaire de manière satisfaisante puisque dans celui-ci les travées ont une épaisseur de l’ordre de 150 μm et sont séparées de 300 à 500 μm (Fig.3.5). Récemment, une nouvelle géné-ration de scanner a été mise au point, les scanners à haute-résolution (HRQCT). Ces machines permettent d’atteindre une résolution dans le plan de 150-180 μm pour une épaisseur de coupe de 300-500 μm ce qui permet de distinguer la microarchitecture trabéculaire [148]. Toutefois la résolution de ces appareils n’est pas suffisante pour refléter parfaitement la microstructure de l’os trabéculaire et on observe des pertes de connectivité ainsi qu’un amincissement des travées. Les principaux avantages du scanner sont un temps d’acquisition relativement court, une géométrie et une den-sité osseuse volumique assez précises pour une irradiation minime des patients. Les mesures réalisées par scanner ont permis d’évaluer l’influence de paramètres tels que l’âge, le sexe, l’origine ethnique sur la géométrie vertébrale ou fémorale dans le but de mieux appréhender le concept de fragilité osseuse [350, 262, 384, 263]. De plus, la possibilité de distinguer l’os trabéculaire par tomodensitométrie a fourni des ren-seignements sur les mécanismes d’action des traitements des maladies osseuses qui n’étaient pas observables par DXA [36, 268, 382, 274,43].

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(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figure 3.5: Exemples d’images obtenues par CT-scan à différents sites osseux –

(a) vertèbres lombaires en vue axiale ; (b) vertèbres lombaires en vue sagittale ; (c)

reconstruction en 3D d’un bloc lombaire ; (d) fémur proximal en vue axiale ; (e)

fémur proximal en vue coronale ; (f)reconstruction en 3D du fémur proximal [137].

Tomographie périphérique haute résolution (HR-pQCT)

Étant donné que l’évaluation in vivo de la microarchitecture trabéculaire est rela-tivement difficile avec les scanners classiques, des scanners dédiés ont été développés dans le but d’évaluer la qualité de l’os trabéculaire et de l’os cortical au niveau des sites périphériques (radius et tibia distaux) (Fig. 3.6) [45, 137]. Ces systèmes haute résolution, appelés scanners périphériques à haute résolution ou HR-pQCT, sont capables d’atteindre une taille de voxels isotropiques de 82 μm pour une faible dose de radiation. Ceci permet une bonne représentation de la microstructure tra-béculaire des radius et tibias distaux pour lesquels l’épaisseur des travées (T b.T h) varie entre 60 et 150 μm et pour lesquels la séparation des travées (T b.Sp) varie de 300 et 1000 μm. Le HR-pQCT assure une très bonne précision, aussi bien pour des mesures de densité (BM D) (< 2 %) que pour des mesures de structure (< 4 %) [45]. Bien qu’aucune étude longitudinale n’ait encore été effectuée, des études transver-sales ont rapporté que les mesures de microarchitectures effectuées par HR-pQCT permettent de différencier les femmes post-ménopausiques ayant eu une fracture par fragilité de celles n’en ayant pas eue [45, 388, 422]. Des études récentes ont montré que le HR-pQCT pouvait évaluer les changements au sein de la microarchitecture osseuse dus à des traitements médicamenteux [351]. Cependant, l’interprétation de ces études reste délicate puisque les traitements anti-ostéoporotiques conduisent à une augmentation de la densité minérale osseuse (DMB), ce qui pourrait influencer les mesures effectuées par HR-pQCT. Les scanners périphériques présentent un po-tentiel énorme dans l’évaluation de l’architecture osseuse in vivo et dans le diagnostic des maladies osseuse telles que l’ostéoporose.

3.4 Acquisition de la microarchitecture trabéculaire 63

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La microtomographie est une méthode de tomographie permettant d’atteindre des résolutions spatiales comprises entre 1 et 100 μm. Les premiers microtomo-graphes ont été développés par Feldkamp et al.. Grâce à l’utilisation de faisceaux de rayons X coniques associés à un algorithme de reconstruction spécialement déve-loppé, ils ont réussi à reconstruire un objet en trois dimensions avec une résolution de 50 μm. Depuis quelques années, l’amélioration de la qualité des microsources de rayons X et des systèmes d’acquisition (notamment la sensibilité et la résolution du couple scintillateur/caméra) permet d’atteindre des résolutions pouvant atteindre quelques micromètres. L’arrivée des microscanners de laboratoire a permis la dé-mocratisation de cette technique. Ainsi, il est possible d’acquérir en laboratoire, la microarchitecture d’un échantillon osseux en quelques minutes pour une taille de voxel de 20 μm et en quelques heures pour une taille de voxel allant jusqu’à 6 μm.

La microtomographie est principalement utilisée pour analyser la structure de biopsies d’os trabéculaire. L’acquisition de l’architecture d’échantillons d’os trabécu-laire permet d’effectuer des mesures de paramètres morphologiques en trois dimen-sions. Plusieurs études ont montré la pertinence des mesures 3D par rapport aux mesures histologiques en deux dimensions [123, 183, 11]. Cette technique pourrait également être utilisée pour obtenir une information sur la minéralisation de l’échan-tillon scanné. Grâce à l’utilisation de fantômes d’hydroxyapatite de densité connue, il serait théoriquement possible de déterminer le degré de minéralisation de l’os. Cependant, la résolution d’acquisition étant généralement trop faible, les données mesurées sont souvent inexploitables à l’échelle de l’ostéon et il faut se contenter d’un mesure globale du DM B. La mesure du DM B local par microtomographie a été étudiée dans cette thèse et fait l’objet du chapitre 5. Les acquisitions de micro-tromographie sont également utilisées lors de la création de modèles numériques de l’os trabéculaire. La méthode de conversion de voxels proposée par van Rietbergen

et al. [416] permet de convertir l’image 3D de l’échantillon tomographié en un mo-dèle en éléments finis. Parmi les avantages de la microtomographie, on trouve sa relative simplicité d’utilisation et de mise en œuvre. Il n’est pas nécessaire d’inclure en résine les échantillons à analyser, ce qui rend les temps d’analyses beaucoup plus courts qu’en histomorphométrie. Les échantillons biologiques peuvent être imagés en

Figure 3.6: Scanner haute résolution in vivo du radius distal ; image montrant la zone imagée et reconstruction 3D du compartiment trabéculaire et de l’enveloppe corticale [137].

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(a) (b) (c)

(d) (e)

Figure3.7: Exemples d’images obtenues par microtomographie – différentes étapes lors de l’acquisition de l’architecture d’une biopsie de crête iliaque :(a) atténuation par les rayons X ;(b)reconstruction d’une section sagittale ;(c)création d’un volume en 3D ;(d)reconstruction en coupe d’un fémur de souris ;(e)reconstruction 3D d’un implant dentaire pour évaluer son ostéo-intégration.

solution (eau, alcool. . . ). Les seules contraintes étant de s’assurer que l’échantillon ne puisse pas bouger pendant l’acquisition et qu’il ne dépasse pas du champ de vue de la caméra pendant toute la phase d’acquisition. Il est donc avantageux d’utiliser des échantillons cylindriques ce qui permet par ailleurs de minimiser les artéfacts d’acquisition (Annexe A).

Cependant, la microtomographie est loin de remplacer l’histologie. En effet, de nombreux phénomènes ne sont pas détectables en rayons X (seul le tissu minéralisé est imagé) et la tomographie est incapable de nous renseigner sur l’activité cellulaire (liée au remodelage notamment).

Tomographie synchrotron (SR μCT) [42]

Les premières approches de microtomographie ont été réalisées en utilisant des radiations synchrotron [106, 149] qui reste la méthode de référence pour obtenir des images à très haute résolution (jusqu’à l’échelle du nanomètre). Le rayonne-ment synchrotron est une lumière extrêmerayonne-ment intense, couvrant une gamme de longueurs d’onde allant des infrarouges jusqu’aux rayons X. Ce rayonnement est émis par des électrons tournant à une vitesse proche de celle de la lumière dans un anneau de stockage de plusieurs centaines de mètres de circonférence. Pour atteindre cette vitesse, les électrons sont d’abord accélérés par un champ magnétique dans un accélérateur linéaire (Linac), jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. Puis le faisceau d’électrons passe dans un accélérateur circulaire, appelé anneau d’accélé-ration, dont le but est d’augmenter l’énergie des électrons. Cette énergie dépend du

3.5 Maillage de l’os trabéculaire 65