Personnalisation des propriétés mécaniques de l'os vertébral à l'aide d'imagerie à basse dose d'irradiation : prédiction du risque de fracture

par Emilie Sapin

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de David Mitton.

Soutenue en 2008

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    Avec le vieillissement de la population, l'ostéoporose et notamment les fractures vertébrales sont devenues un problème de santé publique majeur. Souvent silencieuses, les premières fractures sont difficiles à diagnostiquer par radiographie, et les 40 000 à 70 000 fractures annuelles recensées en France ne représenteraient finalement qu’un tiers du nombre réel. La prise en charge thérapeutique et la gestion de la dépendance, représentent un poids économique important qui doit être réduit, sans pour autant proposer un traitement préventif systématique, lui aussi coûteux. La mesure de densité minérale osseuse par DXA fait référence en clinique mais n’explique que partiellement la résistance des vertèbres. Aussi, des approches basées sur des modèles en éléments finis construits à partir d’imagerie scanner ont été proposées. Elles ne sont malheureusement pas transposables en clinique pour le suivi de patients sur l’ensemble de la colonne vertébrale, du fait de la dose d’irradiation trop importante. Cette recherche avait donc pour objectif de mettre en place une approche se basant sur une modalité basse dose. Afin d’établir un modèle en éléments finis personnalisé, il est nécessaire d’avoir une géométrie et des propriétés mécaniques personnalisées. Le système EOS (imagerie par rayon X basse dose) permet de proposer une géométrie personnalisée pour un patient donné. Le défi scientifique de cette thèse portait principalement sur l’évaluation des propriétés mécaniques personnalisées à partir de cette imagerie basse dose. Une première étude expérimentale, menée sur 19 éprouvettes, a permis de prédire les propriétés mécaniques de l’os spongieux vertébral (en compression) à partir de la densité minérale osseuse mesurée par le système basse dose EOS®. Parallèlement, pour palier au manque de données mécaniques sur l’os cortical vertébral, une deuxième étude a été réalisée afin d’évaluer les propriétés mécaniques d’un ensemble cortico-spongieux en compression par simulation numérique et méthode inverse à partir de données d’essais mécaniques. Il s’agit là d’une première pour l’étude des propriétés macroscopiques de l’os cortical vertébral. De plus, des essais mécaniques de compression menés sur 15 vertèbres ont permis de constituer une première base de données pour la validation du modèle. A partir de l’ensemble de ces données, un modèle en éléments finis 3D personnalisé à partir d’imagerie basse dose a été construit. Ce modèle donne une estimation prometteuse de l’effort à la rupture des vertèbres (FMEF = 0,94 Fexp +242,6 ; r² = 0,83, IC95% = ± 674 N) avec un temps de calcul restreint (environ 10 minutes). Ce travail souligne l’intérêt des systèmes d’imagerie basse dose pour la construction d’un modèle en éléments finis personnalisé et ouvre de nombreuses perspectives pour l’utilisation clinique de tels outils, afin de prédire le risque de fracture vertébral.

  • Titre traduit

    Subject-specific vertebral bone mechanical properties assessment using low-dose x-ray imaging devices : prediction of fracture risk


  • Résumé

    Given the ageing population, osteoporosis and vertebral fractures are considered as a major public health issue. Vertebral fractures firstly arise without pain, so that two thirds of them commonly escape clinical diagnosis. The cost of preventive treatment is very high and need to identify patients with high risk. Hence, the key issue is to improve the prediction of the vertebral fractures. A low bone mineral density (BMD) assessed by DXA does not always explain prevalent fractures, suggesting that other parameters have to be taken in account. Mechanical approaches based on finite-element models have been proposed to predict strength of osteoporotic vertebrae. However, these models are based on quantitative computed tomography and cannot be used to analyse the whole spine in vivo for patients’ follow-up because of the high radiation dose. Thus, the present study proposes subject-specific finite element models based on a low-dose imaging system. They compute a value of the failure load close to the real one (FMEF = 0,94 Fexp +242,6 ; r² = 0,83, IC95% = ± 674 N) with a low numeric cost (about ten minutes), thanks to the assessment of the specific 3D geometry and the specific individual vertebral bone mechanical properties. Indeed, relationships have been proposed in a first experiment, made on 19 vertebrae, to predict the spongious bone mechanical properties from the BMD assessed using the low-dose EOS® device. Moreover, given the lack of information concerning the macro-scale vertebral cortical bone mechanical properties, an original experiment has been carried out to compute the Young’s modulus of a cortico-spongious region using an inverse finite-element method. Finally, mechanical tests were made on 15 vertebrae to assess failure loads in order to evaluate the prediction of the model. This work underlines the potential of low-dose X-ray devices to make subject-specific finite-element models that could be clinically used to predict vertebral fracture risk.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2008 par [CCSD] à Villeurbanne

Personnalisation des propriétés mécaniques de l'os vertébral à l'aide d'imagerie à basse dose d'irradiation : prédiction du risque de fracture

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (167 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Arts et Métiers. Campus. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB

Cette version existe également sous forme de microfiche :

  • Bibliothèque : Université de Lille. Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de Sciences Humaines et Sociales.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2008ENAM0036
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.