Caractérisation mécanique et structurale de l'os spongieux. Modèle animal et application à l'étude du vieillissement osseux humain

= Mechanical and structural evaluation of cancellous bone : Animal model and study of the ageing effect in human bone

• Auteur / Autrice : David Mitton
• Direction : Claude Rumelhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Marière
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSo - Laboratoire de Mécanique des Solides, EA 675 (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie

Maladies osseuses

Biomécanique

Résumé

Ce travail de recherche porte sur la caractérisation mécanique et structurale de 1' os spongieux, d'un modèle animal (la brebis âgée) et de l'homme. Le but est de déterminer les paramètres à l'origine de la variabilité de la résistance mécanique de l'os spongieux, puis d'estimer cette résistance de façon non invasive. Dans un premier temps, sur modèle animal, différentes techniques d'exploration de la qualité osseuse sont mises au point pour une estimation de la densité (mesures physique ou absorptiométrique), de la structure (par histomorphométrie et tomographie à haute résolution (HRCT, technique non invasive)) et de la résistance de l'os spongieux. Les essais biomécaniques retenus pour la caractérisation de 1' os spongieux humain sont : 1' essai de compression suivant trois directions orthogonales, afin d'évaluer 1' anisotropie élastique et les paramètres de rupture des échantillons, un essai original de cisaillement par emporte-pièce tubulaire, applicable à des échantillons fragiles, et un essai de fatigue simulant les sollicitations rencontrées in vivo lors de la marche. Des mesures ultrasonores (US) ont également été réalisées sur des calcanéums humains. . . . De fortes corrélations ont été trouvées entre la contrainte maximale de compression, le module de Young et la densité apparente. De même, des corrélations significatives ont été mises en évidence avec les paramètres structuraux sur os spongieux vertébral. Pour l’os spongieux calcanéen, les paramètres mécaniques précédents sont significativement corrélés aux mesures ultrasonores. Par ailleurs, la contrainte maximale de compression et le module d'Young sont fortement liés, quel que soit le Site ou 1' espèce étudiés. Lorsque les paramètres de compression sont pondérés par la densité réelle des travées, la relation obtenue en fonction de la densité apparente est identique pour la brebis et l'homme. Ces résultats originaux offrent des possibilités d'extrapolation des études biomécaniques conduites sur la brebis âgée, à 1' os humain. L'estimation in vitro de la résistance et de l'élasticité de l’os spongieux vertébral d'origine humaine par HRCT et par US à partir d'un site périphérique (calcanéum), ouvre de perspectives de recherche pour la mise au point d'appareils non-invasifs permettant l’évaluation chimique du risque fracturaire vertébral.

This thesis concerns the mechanical and structural properties of an animal model (aged ewes) and the evaluation of ageing on human cancellous bone. The aim of this project is to evaluate the parameters which could explain the variability of cancellous bone mechanical properties and to estimate the mechanical competence by a non-invasive method. First, we developed, on an animal model, the different technics to evaluate the cancellous bone's quality, that is to say its density (apparent density and evaluated by dual Xray absorptiometry), its structure (estimated by histomorphometry and high resolution computed tomography (HRCT, non-invasive technic) and its mechanical measurements. The following mechanical tests were used: a compression test along three orthogonal directions to calculate the elastic anisotropy and the failure parameters, an original shear test which was performed on very brittle specimens, a fatigue test simulating in vivo loading during daily walk. Strong correlations were found between apparent density and the maximum compressive strength or Young' modulus. The regression coefficients depend on the bone architecture. Significant correlations were also shown between both mechanical parameters and vertebral structural cancellous bone parameters. On the os calcis significant correlations were obtained between compressive properties and ultrasound attenuation. Moreover, the maximum compressive strength and Young's modulus were found to be highly correlated, independently from the anatomical location or species. When the mechanical parameters were divided by the real density of trabeculae, the dependence of this variable with apparent density is the same for both studied species. These results reinforce the possibility of extrapolation of the biomechanical study on aged ewes to human bone. Further studies are necessary to confirm whether HRCT and ultrasound measurements (on the os calcis) could estimate vertebral mechanical properties and predict the vertebral fracture risk.