Bone strength of the human distal radius under fall loading conditions : an experimental and numerical study
Texte intégral
(2) N° d’ordre : 275 -2015. Année 2015. THESE DE L’UNIVERSITE DE LYON Délivrée par L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1 ECOLE DOCTORALE MEGA DIPLOME DE DOCTORAT (Arrêté du 7 août 2006) Spécialité : Biomécanique Soutenue publiquement le 2 décembre 2015 Par :. Edison ZAPATA. Bone strength of the human distal radius under fall loading conditions an experimental and numerical study Directeur de thèse: Co-Encadrante :. David MITTON Hélène FOLLET JURY :. Lalaonirina RAKOTOMANANA Bert VAN RIETBERGEN Pascal LAUGIER Jean-Baptiste PIALAT Hélène FOLLET David MITTON. . Professeur des Universités, Université de Rennes Professeur associé, Université de Technologie d’Eindhoven Directeur de Recherche, CNRS, Paris Professeur des Universités, Université Claude Bernard Lyon 1 Chargée de recherche, INSERM, Lyon Directeur de Recherche, IFSTTAR, Lyon. Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur. .
(3) UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1 Président de l’Université. M. François-Noël GILLY. Vice-président du Conseil d’Administration. M. le Professeur Hamda BEN HADID. Vice-président du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire. M. le Professeur Philippe LALLE. Vice-président du Conseil Scientifique. M. le Professeur Germain GILLET. Directeur Général des Services. M. Alain HELLEU. COMPOSANTES SANTE Faculté de Médecine Lyon Est – Claude Bernard. Directeur : M. le Professeur J. ETIENNE. Faculté de Médecine et de Maïeutique Lyon Sud – Charles Mérieux. Directeur : Mme la Professeure C. BURILLON. Faculté d’Odontologie Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques Institut des Sciences et Techniques de la Réadaptation Département de formation et Centre de Recherche en Biologie Humaine. Directeur : M. le Professeur D. BOURGEOIS Directeur : Mme la Professeure C. VINCIGUERRA Directeur : M. le Professeur Y. MATILLON Directeur : Mme. la Professeure A-M. SCHOTT. COMPOSANTES ET DEPARTEMENTS DE SCIENCES ET TECHNOLOGIE Faculté des Sciences et Technologies Département Biologie. Directeur : M. F. DE MARCHI Directeur : M. le Professeur F. FLEURY. Département Chimie Biochimie. Directeur : Mme Caroline FELIX. Département GEP. Directeur : M. Hassan HAMMOURI. Département Informatique Département Mathématiques. Directeur : M. le Professeur S. AKKOUCHE. Département Mécanique. Directeur : M. le Professeur H. BEN HADID. Département Physique. Directeur : M. Jean-Claude PLENET. Directeur : M. le Professeur Georges TOMANOV. UFR Sciences et Techniques des Activités Physiques et Sportives Directeur : M. Y.VANPOULLE Observatoire des Sciences de l’Univers de Lyon. Directeur : M. B. GUIDERDONI. Polytech Lyon. Directeur : M. P. FOURNIER. Ecole Supérieure de Chimie Physique Electronique. Directeur : M. G. PIGNAULT. Institut Universitaire de Technologie de Lyon 1. Directeur : M. le Professeur C. VITON. Ecole Supérieure du Professorat et de l’Education. Directeur : M. le Professeur A. MOUGNIOTTE. Institut de Science Financière et d'Assurances. Directeur : M. N. LEBOISNE. . .
(4) Bone strength of the human distal radius under fall loading conditions: an experimental and numerical study Ǥ ȋǦǦȌ Ǥ Ǧȋρ Ȍ ǡ Ǥ ǡ Ǥ ǡ ͵ʹ Ǧ Ǥ ǣ Ǧ Ǥ ǡ ȋͻȌ Ǥ ȋȌǡ Ǧ Ǥ
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(36) ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͺ. ͶǤʹ. ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻ. ͶǤ͵. ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͺͻ. ͶǤͶ. ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻͲ.
(37) . ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻʹ ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻͷ. ͳǣ ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲͶ ʹǣ ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͳͳ
(38) ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͳͳ ͳǣǯ±ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͳ͵ ʹǣ ± ̵ ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͳ ͵ǣ±ǣ ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳʹ͵ Ͷǣ°±± ǤǤǤͳʹͺ ±±ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳ͵ͷ ͵ǣ Ǧ ǦǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳ͵ͺ. . . .
(39)
(40) . Introduction. . Ǥ ǡ ǡ ǤǤ
(41) ȋ ǡ ǡ
(42) ǡ Ȍͳʹ ȋǤʹͲͳ͵ȌǤ ǦȋȌȋ ʹͲͲͶȌǤ Ǥ
(43) ǡ Ǧ ʹ ǡ ǡ ͷͲΨ ȋǤʹͲͲͳȌǤ Ǥ ǡ Ǯ ǯ Ǥ ǡ ȋʹͲͳ͵ȌǤ
(44) ǡ Ǥ Ǧ ȋρ Ȍ ȋ ǦȌȋǤʹͲͳͲȌǤ ρ ȋʹͲǤ͵ͲǤͻʹȌ ȋʹ ͲǤ͵ͳ ͲǤͳȌȋ Ƭ
(45) ʹͲͳͷȌǤ ǡ ρ ȋƬ
(46) ʹͲͳͷȌǤ ρ ǦǤ ǡ ǡ ʹȀǡ Ǥǡ ͳͷΨ ȋǤʹͲͳͲȌǤǡ ͺ .
(47)
(48) ȋ Ȍǡ Ǥ ǣ ǡǦ ǡ Ǧ ȋʹȌǤ Ǥ ͷι ʹȀǤ ǡ ȋͻ Ȍ Ǧ ȋ ͵ȌǤ
(49) ȋ Ȍǡ Ǧ Ǥ
(50) ǡ ȋͶȌǤ Ǧ Ǧ Ǥ Ǥ . . . ͻ.
(51) . Chapter 1. State of Art. . 1.1 Introduction Ǥ ǡ Ǥ Ǥ ǡ Ǥ ǡ Ǥ Ǥ ǡ Ǥ ǣ Ǥ Ǥ ǡ Ǥ. ͳͲ .
(52) . 1.2 Anatomy 1.2.1 Anatomical Planes. ǡ Ǥ ͳǦͳ. Figure 1-1ǣ . Ilustrations: Jordi March i Nogué & Blausen.com staff: "Blausen gallery 2014". 1.2.2 The Bones ǤʹͲ ǡ Ǥ Ǥ ǡ ǡ Ǥ Ǧ ȋǤʹͲͳͶȌǤ ȋ Ȍǡ Ǥ
(53) ǡ Ǧ ȋ ͳͻͻͶȌǤ ǡ ǣ “Every change in the form and the function of a bone or in the function of the bone alone, leads to changes in its internal architecture and in its external form”ȋͳͻͺȌ. . . ͳͳ.
(54) ǣ Ǥ Ǥ
(55) Ǥ ǡ ȋƬ ͳͻȌǤ ǡ ȋ ͳǦʹȌǤ. Figure 1-2ǣ ǤIlustration: Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings . 1.2.3 The Radius ǡ ǣ ȋ ǡ ǡ Ȍ ȋȌǤ ͳǦ͵ ǦǡǤ Ǥ
(56) ȋ ͳǦͶȌǤ. ͳʹ .
(57) . Figure 1-3ǣ ǤIllustration: Gray’s anatomy for students, 2nd EditionǤȋǤʹͲͳͶȌ. Figure 1-4ǣǤIllustration: Gray’s anatomy for student, 2nd Edition. ȋǤʹͲͳͶȌ. . . ͳ͵.
(58) Ǥ
(59) ȋ ȌǤ Ǥ ǡ ǡ ǡ ǡ Ǥ ǡ ȋ ͳǦͷȌǤ. Figure 1-5 : ǤIllustration: Gray’s anatomy for student, 2nd Edition. ȋǤʹͲͳͶȌ. 1.3 Epidemiology of Fragility fractures ǡ ȋ Ǥ ͳͻͻȌǤ Ǥ ǡ ǡ Ǥ ͷ ǡ ͺǤͻ Ǥ ͵Ͳ ͶͲΨȋ ʹͲͲͶȌǤ ͳͶ .
(60) Ǥ ǡ ǡǡ ȋȌǤ ǡ Ǧ ȋͳͻͻͶȌǤ Ǥ ȋ Ǥ ʹͲͳͶȌȋ Ƭ ʹͲͳͶȌǤ ǡ ǡ Ǥ. 1.4 Bone fragility estimation in clinics 1.4.1 Dual-energy x-ray absorptiometry ǦǦ ȋȌǤ
(61) ǡǦ ǯǤ Ǥǡ Ǥ ǡ Ǥ ʹ ǡ Ǥȋ ǤͳͻͻǢƬ ʹͲͲȌ ͳͻͺ ȋƬ ʹͲͲȌǤ ǡ ʹǤͷ ǡ ȋǦ δǦʹǤͷȌȋͳͻͻͶȌǤ ǡǤ ǡ ͳǦͳȋƬ ʹͲͲȌǤ. . ͳͷ.
(62) Terminology. T-score definition. Normal. T ш -1.0. Osteopenia. -2.5 < T < -1.0. Osteoporosis. Tч -2.5. Established osteoporosis. Tч -2.5 with presence of one or more fragility fracture. Table 1-1ǣ ǡ ǤȋͳͻͻͶȌǤ. Ǧ ͳǦͳǤ
(63) ǡ Ǥ Ǧ ൌ. െ Equation 1-1ǣǦ Ǥ. ͳǦǤ Ǥ. ͳ .
(64) . Figure 1-6ǣǤRenée Newman, ‘avoidboneloss.com’ . ǡ Ǥ
(65) ǡ ǡ ȋͳͻͻͶȌǤǡ ǡ ǡǡ Ǥ
(66) ǡ ͷͲΨ Ǧ ȋǤʹͲͲͶȌ 1.4.2 Computed tomography scan ȋǦ Ȍ Ǥ ǡ Ǥǡ ȋ ͳǤͷǤȌǤ Ǧ Ǧ Ǧ ǡ ǡ Ǥ . . ͳ.
(67) Ǥ Ǧ Ǧ ȋ ͳǦȌ. Figure 1-7ǣǦ ȋAcquisition from the manufacturer – ‘healthcare.philips.com’ȌǤ. Ǧ Ǧ Ǧ Ǥǡ Ǧ Ǧ ǡ Ǥ ͵ ǣ ǡ ǡǡǤ 1.4.3 The. High. Resolution. peripheral. Quantitative. Computed. Tomography ȋ ǦȌ ȋ ͳǦͺȌ ȋǤͳͻͻͷȌȋ ͳǦͻȌǤ
(68) ǡ Ǥ. ͳͺ .
(69) . Figure 1-8ǣǣ Ǧǡ ȋò ǡȌ. Figure 1-9ǣ Ǧǡ Ǥ. In vivoǡ ȋ ȌǤ
(70) Ǧ ȋͳͷ͵ȗͳʹȌͺʹ ǡ Ǧȋ ǡ ͲǡͻͲͲɊǡ ǣͺͲ ȌǤ
(71) ͳͳͲ ͺʹ ͵ ǡ ͻ Ǥ ͵Ɋ Ǥ͵ Ǧ ȋʹͲͳʹȌǤ. . ͳͻ.
(72) Ǧ Ǥ Ǥ ͻǤͷ ʹʹǤͷ ǡ Ǥ 1.4.4 The FRAX ǡǡ Ǥ
(73) ǡǦ ͳʹ Ǧ Ǥ ǡ ǡ ǡǤǡʹͷͲͲͲͲ ǡ Ǥ ͳͲǤ ȋ ǤʹͲͲͺȌǣǡǡǡ ǡ ǡ ȋ ̵Ȍǡǡ ȋ Ȍǡ ȋ Ȍǡ ȋ ǣ
(74) ǡǦǡ ǡ ǡ Ȍǡ ȋ ͳǦͳͲȌǤ. ʹͲ .
(75) . Figure 1-10ǣ ǡ Ǥ ǣȀȀǤǤ ǤȀ ȀǤǫα. Ǥ Ǥǡ ǡ ǡǤ 1.4.5 Distal radius fractures description and classification ͳͺ͵ȋǤʹͲͳ͵ȌǤ ǡ Ǥ ǡ ȋ ʹͲͲͳȌǤ ǡ Ǥ ȋ Ƭ ʹͲͳ͵Ȍǣ Colles’ fracture:Ǧ ǡǡ ǡǤ Smith’s fracture: . . ʹͳ.
(76) Barton’s fracture: ǡ Ǥ Chauffeur’s fracture: Ǥ Ǥ Die-punch fracture:
(77) Ǥ Ǧ Ǥ ǡ ǡ ǯ Ǥ ǡ ǡ ǡ ǡ Ǧ ȋ ʹͲͲͳȌȋǤʹͲͲȌǤ ǡ Ǥ
(78) ǡ Ǥ ǡ ȋ Ƭ ͳͻͻȌȋǤʹͲͳ͵ȌǤ ͳǦʹǤ. ʹʹ .
(79) . Table 1-2ǣ ȋ ʹͲͲͳȌǤ. 1.5 Bone fragility estimation in research Ǥ Ǥ 1.5.1 Mechanical Definitions Stress Ǥ Strain Ǥ Young’s modulus Ǥ. . ʹ͵.
(80) strength Ǥ ǡ Ǥ Ǥ Poisson ratio Ǥ. Figure 1-11ǣ ǤIllustration: van Rietbergen, CISM summer course 2013.. failure load Ǥ 1.5.2 Bone Imaging Ǥ ǡgrey levels ȋ ΪͳͲͲͲȌ Ǥǡ ȋ ǤʹͲͲͺȌǡ ǯ Ǥ
(81) ǡ ǡ ǡ ʹͶ .
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