Bone strength of the human distal radius under fall loading conditions : an experimental and numerical study

par Edison Zapata

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de David Mitton et de Hélène Follet.

Le président du jury était Pascal Laugier.

Le jury était composé de David Mitton, Hélène Follet, Jean-Baptiste Pialat.

Les rapporteurs étaient Lalaonirina R. Rakotomanana, Bert Van Rietbergen.

  • Titre traduit

    Résistance du radius humain distal soumis à un chargement représentatif d’une chute : étude expérimentale et numérique


  • Résumé

    Les fractures de fragilité représentent un problème de santé publique pour les personnes âgées. L'évaluation de la résistance osseuse et du risque de fracture par la méthode de référence (absorption bi-photonique à rayons X, DXA) est limitée. Les micro-modèles en éléments finis (µFEM) ont montré de meilleures prédictions de la résistance osseuse, mais on ne peut confirmer qu’ils améliorent l’estimation du risque de fracture par rapport à la DXA. L'objectif de cette thèse était donc d'évaluer si la prédiction par simulation numérique pouvait être améliorée en prenant en compte des conditions réalistes de chargement. Tout d’abord, les conditions de chargement correspondant à une chute vers l’avant ont été reproduites sur 32 radius humain dans une expérimentation ex-vivo. Les résultats expérimentaux ont conduits à deux groupes : un fracturé et un non fracturé. Puis, la capacité de prédiction d’un modèle « ségment » (9 mm de radius distal) créé en utilisant un scanner à très haute résolution (High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography) a été évaluée. . Différentes configurations (axiale (configuration standard) et 5 non-axiales) ont été simulées. L’implémentation de chargement non-axial n’a pas amélioré la capacité de prédiction du modèle « segment ». Finalement, un modèle hétérogène du radius distal entier a été créé à partir d’un scanner clinique (Cone Beam Computed Tomography). Ce modèle a pris en compte les conditions d’une chute en termes d’orientation et de vitesse. Le modèle de radius distal entier a montré une meilleure prédiction de la charge à la rupture expérimentale que le modèle « segment ». Cette étude propose des données originales pour la validation de modèles numériques pour l’amélioration de la prédiction du risque de fracture


  • Résumé

    Fragility fractures represent a public health problem for elderly. The assessment of the bone strength and of the risk of fracture by the gold standard method (Dual X-ray Absorptiometry - DXA) is limited. Micro-finite element models (µFEM) have shown to better predict the bone strength, but it is not possible to confirm that they do better than the density measured by DXA to estimate the risk of fracture. Thus, the aim of this thesis was to evaluate whether including realistic loading conditions could improve the level of prediction of the FEM. First, we reproduced the loading conditions of a forward fall on 32 radii in an ex-vivo experiment. This experiment leaded to two groups: one fractured and one non - fractured. Then, we evaluated the prediction capability of a segment FEM (9 mm of the distal radius) created using the High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography. This segment FEM was tested under the axial loading (standard analysis), and under five additional non-axial configurations. It was found that the prediction capability of the segment FEM was not improved by the implementation of non-axial loadings. Finally, a heterogeneous FEM of the whole distal radius was created using data from a Cone Beam Computed Tomography. This model considers the fall loading configurations in orientation and speed of the ex-vivo experiment. The FEM of the whole distal radius has a better accuracy to predict the experimental failure load than the segment FEM. This study proposes original data for model validation dedicated to further improvements of fracture risk prediction


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