Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

D. MITTON

david.mitton@ifsttar.fr

Bone overview:

L’os, un matériau pas comme les autres

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

OS

Source E. Bossy, LIP UMR CNRS 7623

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Structure multi échelle os cortical

1 mm

200 µm

D’après Boivin et coll. Bone 2008

Macro

Méso

Micro

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Structure multi échelle os spongieux

1 mm

1 cm

Macro

Méso

Source : http://www.univ-st-etienne.fr

Micro

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L’os :

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

Plan

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Os : matériau vivant

Se forme au cours de la croissance

S’adapte aux sollicitations mécaniques

Evolue avec l’âge

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

L’os :

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

2 - Quelques caractéristiques mécaniques

Plan

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Sources de variabilité :

- Caractéristiques individuelles (âge, sexe…)

- Site anatomique

- Préparation (mode de conservation, découpe des échantillons)

- Conditions d’essai (température, hydratation…)

- Hypothèse de calcul (homogénéité, élasticité linéaire)

Os

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Os cortical

1 mm1 mm

Echelle mésoscopique

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QUELQUES VALEURS…

Tissu cortical :

transversalement isotropelongitudinalement : 12000 < E < 25000 MPa

Coefficient de Poisson : 0.3

Compression : 162 < R < 205 MPaTraction : 135 < R < 152 MPa

Goel, 1990 ; Yoon, 1976 ; Yamada, 1973 ; Reilly, 1975

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Os spongieux

1 mm

Echelle mésoscopique

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Lievers et al. 2010

CARACTERISATION : NIVEAU STRUCTURAL

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

CARACTERISATION : NIVEAU STRUCTURAL

Vertèbre : 1 < E < 350 MPaAshman 1986, Lindhal 1976, Hansson et al. 1987, Mitton 1997, Mosekilde 1987

Tête fémorale : 240 < E < 350 MPaNjeh et al. 1997, Shoenfeld et al. 1974

Tibia : 5 < E < 2000 MPaAnderson 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 MPaJensen et al. 1991, Mitton 1997

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Microscopique

Echelle mésoscopique

Os spongieux

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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 :

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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

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Col du FémurVertèbresPoignet

(Organisation Mondiale pour la Santé 2004)

Masse osseuse diminuée

Micro-architecture altérée

FragilitéRisque 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

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Ostéoporose

Définition :réduction de la densité et de la qualité osseuse

Qualité regroupe :- Architecture- Minéralisation- Collagène- Micro-fissures

(IOF 2002)

(d’après Benhamou, 2007)

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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

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DXA Dual X-ray Absorptiometry

Bone mineral density (BMD)

Methode clinique

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b – Modèles biomécaniques personnalisés

a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

b – Modèles biomécaniques personnalisés

a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

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

Le Bras, Skalli et coll. CAS 2004

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Face Profil

Chao et Rim, 1973; Suh, 1974;Brown et coll., 1976

Radiographies bi-planaires

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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 ;Mitton, Skalli et al. J Biomech 2008 ; Baudoin, Mitton et coll. MBEC 2008 ; Humbert et al. MEP 2009; Chaïbi et al.CMBBE 2011

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Application aux images DXA

3D-XA

Kolta, Le Bras et al. Osteoporosis International, 2005

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Hologic QDR 4500A

Equipe CEMO-Hôpital CochinPr. C. Roux

Kolta, Le Bras et al. Osteoporosis International, 2005

Précision: moy=0.8mm (95%: <2.5 mm)

3D-XA

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Géométrie 3D et densitémeilleure estimation de la résistance ?

Le Bras, Skalli et coll. CAS 2004

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Géométrie 3D

BMD

Résistance

Coll : Hôpital Cochin,Hôpital Lariboisière,EOS Imaging

Résistance osseuse (3D-XA)Le Bras et al. Journal of Clinical Densitometry, 2006

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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=0.5

R²=0.78

p<0.002+ +

Echantillon faible !

Résistance osseuse (3D-XA)

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

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)

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Conclusions

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

- Echantillon faible

- Relations diverses

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b – Modèles biomécaniques personnalisés

a – Modèles géométriques 3D

Modèles personnalisés

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Modèle en éléments finis :

Nouvel outil pour la prédiction de fracture ?

Duchemin, Skalli et al. CMBBE, 2008

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Modèle personnalisé

1

2

3

Duchemin, Skalli et al. CMBBE, 2008

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

1 - Géométrie

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Modèle EF personnaliséCoupes scanner

segmentées

(Kang et coll. 2004)

Géométrie

Duchemin, Skalli et coll. CMBBE 2008

Modèle personnalisé

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2 – Propriétés mécaniques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Densité CTρHA (mg/mlHA)

E, σmax (MPa)

Propriétés mécaniques personnalisées

Duchemin, et coll. Med Eng Phys, 2008

Equivalent CTDensity (mg/mlHA)

020406080

100120140160180200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

σ max

(MPa

)

Equivalent CT Density (mg/mlHA)

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Modèle EF personnaliséCoupes scanner

segmentées

(Kang et coll. 2004)

Géométrie

Duchemin, Skalli et coll. CMBBE 2008

Module d’Young(MPa)

Propriétésosseuses

et initiales

Duchemin, et coll. Med Eng Phys, 2008

Modèle personnalisé

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3 – Validation

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

39 femurs proximaux

16 ♂ / 24 ♀

82 ± 12 ans (47-100)

Diaphyse 25° / verticale

Vitesse 0.21 mm/s

Compression à la rupture enappui monopodal

( Cody et al.1999, Smith et

al.1992, Lang et al.1997)

Validation: Expérimentation

Duchemin, Skalli et coll. CMBBE 2008

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

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

FFEM rupture (N)

FE

XP

rupt

ure

(N)

FEXP = 1.006 FFEM

r² = 0.87(p < 0.05)

Précision ± 2600 N(95% confidence)

DXA, r²=0.72

Duchemin, Skalli et al. CMBBE 2008

European Research Grant EU QCK6-CT-2002-02440

Expérimentation vs modèle

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Synthèse

Effort à la rupture

Densité (DXA) 60-70%

Densité + Géométrie 3D 70-80%(3D-XA ou QCT)

MEF personnalisé 85-90%

Configuration d’appui monopodal

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Traitements

Médicamenteux

-évaluation effet sur propriétés mécaniques

Chirurgicaux- cimentoplastie

- prothèse articulaire De Baère

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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

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Tige de prothèse articulaire de hanche cimentéealliage de titane, Ceraver

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse articulaire de genou, Fixano

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse articulaire de cheville

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse articulaire d’épaulealliage acier inoxydable, Teknimed

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse articulaire digitale interphalangienne, Fixano

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse trapézo-métacarpienne Cr-Co HAP, Fixano

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Prothèse articulaired’épaule

Prothèse articulairede coude

Prothèse articulairedu genou

Prothèse articulairede la hanche

Prothèse de disqueintervertébral

Prothèse articulairedu pouce

Prothèse articulairede la cheville

Matériel d’ostéosynthèse

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Plaque d’ostéosynthèse inox ou titane, Fixano

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Ostéosynthèse rachidienne en titane, Fixano

Ostéosynthèse rachidienne en inox, Fixano

Implants orthopédiques

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

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

5 - Peut être remplacer par un greffon

Plan

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Allogreffes

Greffon d’origine humaine, Biobank

Greffons osseux

Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton

Céramique en phosphate de calcium, Ceraver

Céramique hydroxyapatite/phosphate tricalcique, Teknimed

Céramiques de phosphate de calcium

Greffons osseux

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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

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Perspectives

Poursuite dans le domaine :

- Master biomécanique- Thèse- Entreprises biomédicales