Caractérisation et modélisation mécanique de l'os spongieux humain en relation avec ses propriétés structurales et architecturales

par Karine Bruyère

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Claude Rumelhart.


  • Résumé

    Nous souhaitons déterminer les propriétés mécaniques de l 'os spongieux humain et évaluer leurs paramètres explicatifs : densité, architecture et propriétés du tissu trabéculaire. La caractérisation mécanique a été réalisée sur des échantillons d'os spongieux humain de tête fémorale et calcanéum, classiquement en compression et de façon originale en cisaillement et torsion. Les analyses architecturales 2D et 3D de l'os spongieux calcanéen ont été réalisées à partir de coupes histologiques et d'images 3D obtenues par tomographie (HRCT) et imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute résolution (respectivement 10 μm et 78 μm). La caractérisation mécanique des travées a été réalisée par méthode ultrasonore et un essai de micro-flexion sur travées isolées a été mis au point. La modélisation par éléments finis (MEF) de l'os spongieux a été effectuée directement à partir d'images HRCT et IRM. La caractérisation en torsion de l 'os spongieux de tête fémorale a montré la corrélation entre le module de Coulomb et la contrainte maximale de torsion. L'isotropie des propriétés de cisaillement par emporte-pièce tubulaire a été observée, démontrant le caractère intrinsèque de cet essai. Des relations et corrélations significatives entre les propriétés de compression et la densité apparentée ont été établies pour l’os spongieux de fémur et de calcanéum. L'essai de micro-flexion sur travées isolées, couplé à la MEF et une méthode inverse, a permis de caractériser leur comportement élasto-plastique. L'étude architecturale de l'os calcanéen a montré des corrélations entre les propriétés mécaniques apparentes et les paramètres architecturaux, particulièrement avec la dimension fractale et la connectivité, indépendamment de la densité volumique. Ces résultats montrent l 'intérêt des paramètres architecturaux dans l 'estimation de la résistance osseuse, ceux ci pouvant être estimés à partir d'images IRM dont les développements laissent espérer une prochaine application in vivo.

  • Titre traduit

    = Mechanical characterisation and modelling of human cancellous bone in relation with its structural and architectural properties


  • Résumé

    The aim of this work is to determine the mechanical properties of human cancellous bone and to evaluate their explicative parameters: density, architecture and properties of trabecular tissue. The mechanical characterisation was performed for human cancellous bone from proximal femora and calcaneus, as usually by compression, and in an original way, by shear and torsion. Architecture analysis in 2D and 3D of calcaneal cancellous bone were made on histologie slices and on 3D images obtained by high spatial resolution tomography (HRCT) or by nuclear magnetic resonance imaging (NMR) (respectively 10 μm and 78 μm). The mechanical characterisation of trabeculae was realised by an ultrasonic method and a microbending test on isolated trabeculae has been designed. Modelling by finite element method of cancellous bone has been realized directly from HRCT and NMR images. Characterisation in torsion of human cancellous bone from femoral head showed significant correlation between shear modulus and maximal torsion stress. P. Roperties obtained by shear tests using sharpened tube seemed isotropie, showing this test leads to an intrinsic characterisation. Relationships and significant correlations between apparent density and compressive properties were established for cancellous bone from proximal femora and calcaneus. Microbending on isolated trabeculae, associated to the finite element modelling and an inverse rnethod, permitted to determine their elasto-plastic behaviour. Architectural study of calcaneal cancellous bone showed significant correlations between apparent mechanical properties and fabric parameters, in particular with fractal dimension and connectivity, independently of volume density. These results show the interest of such parameters for the estimation of cancellous bone strength, considering they can be evaluated from RMN images, whose developments leave hope for an in vivo application.

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  • Détails : 1 vol. (320 p.)
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