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Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
D. MITTON
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Os cortical
1 mm1 mm
Echelle mésoscopique
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Os spongieux
1 mm
Echelle mésoscopique
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Microscopique
Echelle mésoscopique
Os spongieux
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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 :
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)
Plan
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Ostéoporose
Définition :réduction de la densité et de la qualité osseuse
Qualité regroupe :- Architecture- Minéralisation- Collagène- Micro-fissures
(IOF 2002)
(d’après Benhamou, 2007)
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
DXA Dual X-ray Absorptiometry
Bone mineral density (BMD)
Methode clinique
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Face Profil
Chao et Rim, 1973; Suh, 1974;Brown et coll., 1976
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 ;Mitton, Skalli et al. J Biomech 2008 ; Baudoin, Mitton et coll. MBEC 2008 ; Humbert et al. MEP 2009; Chaïbi et al.CMBBE 2011
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
b – Modèles biomécaniques personnalisés
a – Modèles géométriques 3D
Modèles personnalisés
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
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
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
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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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
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
Caractérisation comportement de l’os – D. Mitton
Perspectives
Poursuite dans le domaine :
- Master biomécanique- Thèse- Entreprises biomédicales