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L’os, un matériau pas comme les autres

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

D. MITTON

david.mitton@ifsttar.fr

Bone overview:

L’os, un matériau pas comme les autres

(2)

OS

(3)

Structure multi échelle os cortical

1 mm

200 mm

D’après Boivin et coll. Bone 2008

Macro

Méso

Micro

(4)

Structure multi échelle os spongieux

1 mm 1 cm

Macro

(5)

L’os :

1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage)

Plan

(6)

Os : matériau vivant

Se forme au cours de la croissance

S’adapte aux sollicitations mécaniques

Evolue avec l’âge

(7)

L’os :

1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage) 2 - Quelques caractéristiques mécaniques

Plan

(8)

Sources de variabilité :

- Caractéristiques individuelles (âge, sexe…) - Site anatomique

- Préparation (mode de conservation, découpe des échantillons) - Conditions d’essai (température, hydratation…)

Os

(9)

Os cortical

1 mm 1 mm

Echelle mésoscopique

(10)

QUELQUES VALEURS…

Tissu cortical :

transversalement isotrope

longitudinalement : 12000 < E < 25000 MPa Coefficient de Poisson : 0.3

Compression : 162 <  R < 205 MPa

Traction : 135 <  R < 152 MPa

(11)

Os spongieux

1 mm

Echelle mésoscopique

(12)

CARACTERISATION : NIVEAU STRUCTURAL

(13)

CARACTERISATION : NIVEAU STRUCTURAL

Vertèbre : 1 < E < 350 MPa

Ashman 1986, Lindhal 1976, Hansson et al. 1987, Mitton 1997, Mosekilde 1987

Tête fémorale : 240 < E < 350 MPa

Njeh et al. 1997, Shoenfeld et al. 1974

Tibia : 5 < E < 2000 MPa

Anderson et al. 1992, Bentzen et al. 1987, Ciarelli et al. 1986, Goldstein 1983, Hvid et al. 1983, Linde et al. 1989, Lindhal 1976, Williams et Lewis 1982,

Os spongieux :

Calcanéum : 30 < E < 740 MPa

Jensen et al. 1991, Mitton 1997

(14)

Microscopique

Os spongieux

(15)

CARACTERISATION : DU MATERIAU

Tissu trabéculaire :

Fémur et tibia : 1 < E < 20 GPa

Choi et al. 1990, Mente et Lewis 1989, Townsend et al. 1975, Wolf 1892

Turner et al. J. Biomech, 1999

Tissu trabéculaire/Tissu cortical :

(16)

L’os :

1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage) 2 - Quelques caractéristiques mécaniques

3 - Peut être atteint de pathologies (par ex. ostéoporose)

Plan

(17)

Col du Fémur Vertèbres

Poignet

(Organisation Mondiale pour la Santé 2004)

Masse osseuse diminuée Micro-architecture altérée

Fragilité

Risque de fracture

~45 % des femmes de plus de 50 ans auront une ou plusieurs fractures

(Fondation pour la Recherche Médicale 2000)

Illustrations : Société Française de Rhumatologie

Ostéoporose

(18)

Ostéoporose

Définition :

réduction de la densité et de la qualité osseuse Qualité regroupe :

- Architecture - Minéralisation - Collagène

- Micro-fissures

(IOF 2002)

(d’après Benhamou, 2007)

(19)

Problème de santé publique mondial (IOF 2005)

Coût élévé des traitements préventifs

Identifier les patients à haut risque

30 millards € / an en Europe  x 2 d’ici 2050

Améliorer la prévention

Ostéoporose

(20)

DXA Dual X-ray Absorptiometry

Bone mineral density (BMD)

Methode clinique

(21)

b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

(22)

b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

(23)

Peut-on obtenir un modèle 3D à partir de la DXA ?

Le Bras, Skalli et coll. CAS 2004

(24)

Face Profil

Radiographies bi-planaires

(25)

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Mitton, de Guise et al. MBEC, 2000 ; Laporte, Mitton et al. CMBBE, 2003 ; Dumas, Skalli et al. J. Biomech, 2003 ; Pomero, Skalli et al. Clin Biomech 2004 ; Le Bras, Skalli et al. Comput. Aided Surg. 2004 ; Mitton, Skalli et al. CMBBE, 2006 ;

(26)

Application aux images DXA

3D-XA

Kolta, Le Bras et al. Osteoporosis International, 2005

(27)

Hologic QDR 4500A

Equipe CEMO-Hôpital Cochin Pr. C. Roux

Kolta, Le Bras et al. Osteoporosis International, 2005

Précision: moy=0.8mm (95%: <2.5 mm)

3D-XA

(28)

Géométrie 3D et densité

meilleure estimation de la résistance ?

(29)

Géométrie 3D

BMD

Résistance

Coll : Hôpital Cochin,

Hôpital Lariboisière, EOS Imaging

Résistance osseuse (3D-XA)

Le Bras et al. Journal of Clinical Densitometry, 2006

(30)

12 specimens (appui monopodal)

âge : 87.7 (72-103), 11 femmes et 1 homme

Le Bras et al. Journal of Clinical Densitometry, 2006

Fult = R²=0.78

p<0.002

+ +

Résistance osseuse (3D-XA)

(31)

Bousson et al. Osteoporosis International, 2006

28 spécimens (appui monopodal)

age : 83.7 (54-103), 23 femmes and 5 hommes

Résultats:

Densité + Paramètres géométriques 3D: R²=0.78

Résistance osseuse (CT-scan)

(32)

Conclusions

-Géométrie 3D + densité : 78% de la résistance - Echantillon faible

- Relations diverses

(33)

b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

(34)

Modèle en éléments finis :

Nouvel outil pour la prédiction de fracture ?

(35)

Modèle personnalisé

1

2

3

Duchemin, Skalli et al. CMBBE, 2008

(36)

1 - Géométrie

(37)

Modèle EF personnalisé Coupes scanner

segmentées

(Kang et coll. 2004)

Géométrie

Duchemin, Skalli et coll. CMBBE 2008

Modèle personnalisé

(38)

2 – Propriétés mécaniques

(39)

Densité CT ρ HA (mg/ml HA )

E, σ max (MPa)

Propriétés mécaniques personnalisées

Duchemin, et coll. Med Eng Phys, 2008

Equivalent CT Density (mg/ml

HA

)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

σ

max(MPa)

Equivalent CT Density (mg/mlHA)

(40)

Modèle EF personnalisé Coupes scanner

segmentées

(Kang et coll. 2004)

Géométrie

Module d’Young (MPa)

Propriétés osseuses et initiales

Modèle personnalisé

(41)

3 – Validation

(42)

39 femurs proximaux

16 ♂ / 24 ♀

82 ± 12 ans (47-100)

▪ Diaphyse 25° / verticale

▪ Compression à la rupture en appui monopodal

( Cody et al.1999, Smith et

Validation: Expérimentation

(43)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

N = 39 fémurs

F

FEM

rupture (N) F

EXP

ruptur e ( N)

F

EXP

= 1.006 F

FEM

r² = 0.87

(p < 0.05)

Précision ± 2600 N

(95% confidence)

DXA, r ²=0.72

Duchemin, Skalli et al. CMBBE 2008

Expérimentation vs modèle

(44)

Synthèse

Effort à la rupture

Densité (DXA) 60-70%

Densité + Géométrie 3D 70-80%

(3D-XA ou QCT)

Configuration d’appui monopodal

(45)

Traitements

Médicamenteux

-évaluation effet sur propriétés mécaniques

Chirurgicaux

- cimentoplastie

- prothèse articulaire De Baère

(46)

L’os :

1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage) 2 - Quelques caractéristiques mécaniques

3 - Peut être atteint de pathologies (par ex. ostéoporose) 4 - Sert à fixer les implants

Plan

(47)

Tige de prothèse articulaire de hanche cimentée alliage de titane, Ceraver

Implants orthopédiques

(48)

Implants orthopédiques

(49)

Prothèse articulaire de cheville

Implants orthopédiques

(50)

Implants orthopédiques

(51)

Prothèse articulaire digitale interphalangienne, Fixano

Implants orthopédiques

(52)

Prothèse trapézo-métacarpienne Cr-Co HAP, Fixano

Implants orthopédiques

(53)

Prothèse articulaire d’épaule

Prothèse articulaire de coude

Prothèse articulaire du genou

Prothèse articulaire de la hanche

Prothèse de disque intervertébral

Prothèse articulaire du pouce

Prothèse articulaire de la cheville

Matériel d’ostéosynthèse

Implants orthopédiques

(54)

Implants orthopédiques

(55)

Ostéosynthèse rachidienne en titane, Fixano

Ostéosynthèse rachidienne en inox, Fixano

Implants orthopédiques

(56)

L’os :

1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage) 2 - Quelques caractéristiques mécaniques

3 - Peut être atteint de pathologies (par ex. ostéoporose) 4 - Sert à fixer les implants

Plan

(57)

Allogreffes

Greffon d’origine humaine, Biobank

Greffons osseux

(58)

Céramiques de phosphate de calcium

Greffons osseux

(59)

Conclusions

– L’os s’adapte avec les sollicitations mécaniques – Tissus osseux : E= 10-20 GPa

– Variabilité avec âge, pathologies…

– Fixation implants orthopédiques et dentaires

– Remplacement (temporaire) par un greffon

(60)

Perspectives

Poursuite dans le domaine : - Master biomécanique - Thèse

- Entreprises biomédicales

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