Prédiction du risque fracturaire de l'extrêmité supérieur du fémur à partir d'une modélisation par éléments finis personnalisée

Personalized finite element modelling of the proximal femur for fracture risk prediction

• Auteur / Autrice : Laure Duchemin
• Direction : Wafa Skalli, David Mitton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Résumé

Avec le vieillissement de la population, l'ostéoporose et les fractures de l'extrémité supérieure du fémur sont devenues un problème de santé publique majeur. L'intervention chirurgicale, à laquelle s'ajoutent la rééducation des patients et la gestion de leur dépendance, représentent un poids socio-économique considérable qui doit être réduit, sans pour autant proposer un traitement préventif systématique, lui aussi coûteux. La mesure de densité minérale osseuse par DXA fait aujourd'hui référence dans l'évaluation du risque de fracture mais cet outil reste limité par le chevauchement des valeurs mesurées entre les sujets fracturés et non fracturés. Cette étude propose de développer des modèles par éléments finis 3D du fémur proximal permettant d'améliorer la prédiction du risque de fracture. Un modèle anatomique personnalisé tenant compte des spécificités géométriques et mécaniques complexes de chaque fémur a conduit, sur 39 spécimens, à un bon compromis entre une prédiction individuelle de l'effort à rupture (Fexp = 1,006 FMEF avec r² = 0,87, IC95% = ± 2600 N) et un coût numérique adapté à une future exploitation clinique de cet outil (simulation numérique 30 mn). Afin de consolider la personnalisation, une étude expérimentale menée sur 92 éprouvettes (46 traction et 46 compression) a permis d'améliorer la prédiction des propriétés mécaniques de l'os cortical à partir de l'imagerie médicale (r² = 0,42 à 0,72). Des essais in-vitro macroscopiques sur 40 paires de fémurs ont également été réalisés afin de constituer une base de données solide pour l'évaluation du modèle. Parallèlement, un modèle paramétré a été utilisé dans le cadre d'une étude par plans d'expérience afin d'éclaircir le rôle des paramètres géométriques dans la résistance mécanique de l'extrémité supérieure du fémur. Ces travaux ont souligné le potentiel de la modélisation par éléments finis personnalisée à devenir un outil complémentaire de prédiction du risque, et ont mis en évidence le rôle prépondérant de l'enveloppe corticale et de sa limite d'endommagement.

TBecause of the population ageing, osteoporosis and hip fractures are largely considered as a major health-care problem. The surgery, combined with the patients rehabilitation and their dependency management, involve a worrying socio-economical burden which must be reduced, but the high cost of any preventive strategy must also be taken into account. Bone mineral density measured by DXA is considered as the gold standard for fracture risk prediction, but this diagnostic tool is limited by the overlap that still exists between bone density values of fractured and non-fractured subjects. The purpose of this study was to develop Finite Element models in order to improve the hip fracture risk prediction. An anatomical subject-specific model that take into account the complex geometric and mechanical specificities of each specimen reached a good compromise between an accurate individual fracture load prediction (Fexp = 1,006 FMEF avec r² = 0,87, IC95% = ± 2600 N) and a suitable numerical cost for further clinical use (numerical simulation 30mn). To improve the model personalisation, an experimental study on 92 bone samples (46 traction and 46 compression) led to a better prediction of the cortical mechanical properties from medical imaging (r² = 0,42 à 0,72). A total of 40 pairs of human proximal femurs were also tested to failure in order to provide a robust database for the model validation. A parameterized model was simultaneously used in an experimental design study in order to understand the role of the geometrical parameters in the femoral strength. This work indicated the ability of the Finite Element modelling to become a complementary tool for fracture risk prediction, and underlined the major influence of the cortical bone and its mechanical strength.