Etude de la variabilité en fonction du sexe, de l'âge et de l'origine géographique de l'extrémité distale du fémur

par Étienne Cavaignac

Thèse de doctorat en Anthropobiologie

Sous la direction de Norbert Telmon.

Soutenue le 10-11-2017

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse) , en partenariat avec Anthropobiologie Moléculaire et Imagerie de Synthèse (laboratoire) .


  • Résumé

    La morphologie des os humains varie en fonction du sexe, de l'âge et de l'ethnie. Cette variabilité de l'anatomie humaine peut aider à déterminer le sexe, l'âge et l'ethnie. Les outils utilisés pour de telles analyses sont classiquement des méthodes ostéométriques (longueur, angle, rapport de longueur) qui peuvent être sujettes à des biais d'analyse ou d'interprétation. L'analyse morphométrique géométrique 3D (MG) permet de limiter ces biais. Elle étudie et compare la forme d'un ou plusieurs objets en éliminant les effets liés à la taille de celui-ci. Nous n'avons pas retrouvé d'analyse du dimorphisme sexuel, ethnique et lié à l'âge de l'extrémité distale du fémur à l'aide de cette méthode. Le fémur est pourtant un des plus gros os du corps et il est souvent bien conservé dans les restes humains. L'objectif de ce travail était de montrer qu'il existe une différence de forme du fémur distal en fonction de l'âge, du sexe et de l'ethnie visualisable grâce à MG. Nous avons réalisé une MG de 482 scanners d'extrémité distale de fémur de sujets vivant dans le sud de la France et dans la région de Chongqing (chine). Les sujets présentant une pathologie osseuse ou articulaires ont été exclus. Dix landmarks ont été positionnés sur des reconstructions tridimentionelles. Nous avons également réalisé une analyse ostéométrique " classique " en plus de MG afin d'évaluer la vraisemblance de nos résultats. Les données ont été analysées par deux observateurs à deux temps différents. Nous avons calculé pour chaque landmark la variabilité inter et intraobservateur. Les landmarks choisis permettaient de caractériser la forme de l'extrémité distale du fémur. La première étape a consisté en la réalisation d'une analyse généralisée procrustre (GPA). Les coordonnées dans l'espace des landmarks ont été analysées en utilisant une analyse en composant principal (PCA). Une analyse discriminante a permis de vérifier le pourcentage de cas dans lequel le sexe, l'âge ou l'ethnie estimés étaient les bons. GPA retrouve une différence de forme statistiquement significative entre les sexes, en fonction de l'âge et entre les ethnies. PCA retrouve une différence de forme en fonction de l'âge, du sexe ou de l'ethnie qui représente respectivement 54,4 ;58,6 et 61,9% de la variabilité observée. Les taux d'assignement correct avec cette méthode étaient de 80% (âge) ; 77,3% (sexe) et 82 % (l'ethnie). L'analyse ostéométrique " classique " retrouvait des valeurs comparables à celles retrouvées dans la littérature. Le pourcentage d'erreur intra et inter observateur pour l'ensemble des landmarks n'excédait jamais 2%. Nous avons démontré que l'analyse MG du fémur distal permettait de mettre en évidence une variabilité en fonction du sexe, de l'âge et de l'ethnie de ce segment osseux. La reproductibilité élevée et la vraisemblance des résultats valident notre méthodologie. Cette différence de forme a des retombées directes en anthropobiologie mais aussi en orthopédie. Cette méthode d'assignation ne donne pas de résultats suffisamment précis pour être utilisée seule. Cependant, elle a l'avantage de pouvoir être utilisée dans des contextes d'autopsie virtuelle ou in vivo. Par ailleurs, par la présente étude nous réactualisons les données morphométriques de population contemporaine du sud de la France et aussi de la région de Chongqing en chine. Cette méthodologie adéquate et reproductible va permettre de réaliser des comparaisons diachroniques ainsi qu'inter ethnique. La validation de l'utilisation d'examen d'imagerie médicaux ouvre un champ nouveau en anthropologie physique. En ce qui concerne l'aspect orthopédique, cette variabilité questionne sur la nécessité ou non d'implant spécifique et surtout sur la nécessité de réévaluer de manière régulière la forme des prothèses de genou.

  • Titre traduit

    Study of the sex, age and geography based variability in the distal femur


  • Résumé

    The shape of human bones varies based on age, sex and ethnicity. This variability in human anatomy can be used to determine a person's age, sex and ethnicity. Historically, the tools used for such analyses are osteometric methods (length, angle, length ratio) that can be plagued by analysis or interpretation biases. Three-dimensional geometric morphometric analysis (3D GM) can limit the impact of these biases. It is used to describe and compare the general shape of one or more objects by eliminating any size-related effects. To the best of our knowledge, this method has never been used to analyse the sexual dimorphism, ethnicity-related and age-related differences in the distal femur. The femur is one of the longest human bones and is often well preserved in human remains. The goal of this study was to demonstrate differences in the shape of the distal femur according to age, sex and ethnicity using GM. We carried out 3D GM on 482 CT scans of the distal femur of adults living in the South of France and in the Chongqing region of China. Subjects with bone or joint pathologies were excluded. Ten landmarks were defined on 3D reconstructions of the distal femur. A standard osteometric analysis was performed in addition to the GM analysis to evaluate the plausibility of our results. The data were analysed by two observers at two different times. This allowed us to calculate the inter- and intra-observer variability for each landmark. The chosen landmarks were used to characterise the shape of the distal femur. The first step consisted of a generalized Procrustes analysis (GPA). The landmarks' coordinates in space were analysed using a principal component analysis (PCA). A discriminant analysis was performed to determine the percentage of cases in which the sex, age or ethnicity was correctly estimated. The GPA found a statistically significant difference in the distal femur shape between different sexes, ethnicity groups and age groups. The PCA found that age, sex and ethnicity accounted for 54.4%, 58.6% and 61.9% of the observed variability in distal femur shape, respectively. Using this method, 80% of cases were assigned the correct age, 77.3% the correct sex and 82% the correct ethnic group. The results of the osteometric analysis were comparable to published values. The percentage error for the intra- and interobserver comparisons for all the landmarks was always less than 2%. In this study, MG analysis of the distal femur revealed age-related, sex-related and ethnicity-related variability in the distal femur. The high reproducibility and plausibility of our results validate our methodology. These shape differences have direct implications for anthropobiology and also orthopaedics. Although this method is not sufficiently accurate to be used alone, it has the advantage of being usable in the context of virtual or in vivo autopsy cases. Moreover, this study has updated the morphometric data for a modern population in the south of France and the Chongqing region of China. This reliable and accurate methodology can be used to perform diachronic and interethnic comparisons. Validation of this medical imaging modality opens new avenues in physical anthropology research. In the orthopaedics field, this variability means that the shape of implants used for knee arthroplasty should be re-assessed regularly and brings into question the need for gender-specific or ethnicity-specific implants.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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  • Sous le titre : Etude de la variabilité en fonction du sexe, de l'âge et de l'origine géographique de l'extrémité distale du fémur
  • Détails : 1 vol. (134 p.)
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