D. MITTON
david.mitton@ifsttar.fr
Bone overview:
L’os, un matériau pas comme les autres
OS
Structure multi échelle os cortical
1 mm
200 mm
D’après Boivin et coll. Bone 2008
Macro
Méso
Micro
Structure multi échelle os spongieux
1 mm 1 cm
Macro
L’os :
1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage)
Plan
Os : matériau vivant
Se forme au cours de la croissance
S’adapte aux sollicitations mécaniques
Evolue avec l’âge
L’os :
1 - Evolue au cours de la vie (croissance, remodelage) 2 - Quelques caractéristiques mécaniques
Plan
Sources de variabilité :
- Caractéristiques individuelles (âge, sexe…) - Site anatomique
- Préparation (mode de conservation, découpe des échantillons) - Conditions d’essai (température, hydratation…)
Os
Os cortical
1 mm 1 mm
Echelle mésoscopique
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
Os spongieux
1 mm
Echelle mésoscopique
CARACTERISATION : NIVEAU STRUCTURAL
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
Microscopique
Os spongieux
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 :
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
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
Ostéoporose
Définition :
réduction de la densité et de la qualité osseuse Qualité regroupe :
- Architecture - Minéralisation - Collagène
- Micro-fissures
(IOF 2002)
(d’après Benhamou, 2007)
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
DXA Dual X-ray Absorptiometry
Bone mineral density (BMD)
Methode clinique
b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D
Modèles personnalisés
b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D
Modèles personnalisés
Peut-on obtenir un modèle 3D à partir de la DXA ?
Le Bras, Skalli et coll. CAS 2004
Face Profil
Radiographies bi-planaires
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 ;
Application aux images DXA
3D-XA
Kolta, Le Bras et al. Osteoporosis International, 2005
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
Géométrie 3D et densité
meilleure estimation de la résistance ?
Géométrie 3D
BMD
Résistance
Coll : Hôpital Cochin,
Hôpital Lariboisière, EOS Imaging
Résistance osseuse (3D-XA)
Le Bras et al. Journal of Clinical Densitometry, 2006
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)
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)
Conclusions
-Géométrie 3D + densité : 78% de la résistance - Echantillon faible
- Relations diverses
b – Modèles biomécaniques personnalisés a – Modèles géométriques 3D
Modèles personnalisés
Modèle en éléments finis :
Nouvel outil pour la prédiction de fracture ?
Modèle personnalisé
1
2
3
Duchemin, Skalli et al. CMBBE, 2008
1 - Géométrie
Modèle EF personnalisé Coupes scanner
segmentées
(Kang et coll. 2004)
Géométrie
Duchemin, Skalli et coll. CMBBE 2008
Modèle personnalisé
2 – Propriétés mécaniques
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)
Modèle EF personnalisé Coupes scanner
segmentées
(Kang et coll. 2004)
Géométrie
Module d’Young (MPa)
Propriétés osseuses et initiales
Modèle personnalisé
3 – Validation
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
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
FEMrupture (N) F
EXPruptur e ( N)
F
EXP= 1.006 F
FEMr² = 0.87
(p < 0.05)
Précision ± 2600 N
(95% confidence)
DXA, r ²=0.72
Duchemin, Skalli et al. CMBBE 2008
Expérimentation vs modèle
Synthèse
Effort à la rupture
Densité (DXA) 60-70%
Densité + Géométrie 3D 70-80%
(3D-XA ou QCT)
Configuration d’appui monopodal
Traitements
Médicamenteux
-évaluation effet sur propriétés mécaniques
Chirurgicaux
- cimentoplastie
- prothèse articulaire De Baère
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
Tige de prothèse articulaire de hanche cimentée alliage de titane, Ceraver
Implants orthopédiques
Implants orthopédiques
Prothèse articulaire de cheville
Implants orthopédiques
Implants orthopédiques
Prothèse articulaire digitale interphalangienne, Fixano
Implants orthopédiques
Prothèse trapézo-métacarpienne Cr-Co HAP, Fixano
Implants orthopédiques
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
Implants orthopédiques
Ostéosynthèse rachidienne en titane, Fixano
Ostéosynthèse rachidienne en inox, Fixano
Implants orthopédiques
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
Allogreffes
Greffon d’origine humaine, Biobank