Modélisation mécano-biologique par éléments finis de l'os trabéculaire : des activités cellulaires au remodelage osseux

Mechano-biological modeling of trabecular bone by finite elements : from cells’ activities to bone remodeling

• Auteur / Autrice : Romain Rieger
• Direction : Ridha Hambli, Rachid Jennane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 08/12/2011
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) - Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique
• Jury : Président / Présidente : David Mitton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ridha Hambli, Rachid Jennane, David Mitton, Patrick Chabrand, Thierry Hoc, Claude-Laurent Benhamou, Damien Lacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Chabrand, Thierry Hoc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ostéoblastes

Ostéoclastes

Modèles mathématiques

Transduction

Éléments finis, Méthode des

Ostéocytes

Histologie

Propriétés mécaniques

Os

Mots clés libres

Os trabéculaire

Remodelage osseux

Trabecular bone

Bone remodeling

Résumé

L’os subit perpétuellement des contraintes mécaniques et physiologiques, ainsi sa qualité et sa résistance à lafracture évoluent constamment au cours du temps à travers le processus de remodelage osseux. Cependant,certaines pathologies osseuses comme l’ostéoporose ou la maladie de Paget altèrent cette dernière et conduisent àune augmentation du risque de fracture osseuse. La qualité osseuse est non seulement définie par la densitéminérale osseuse (DMO) mais également par les propriétés mécaniques ainsi que la microarchitecture. Au total, onévalue en France à environ 3 millions le nombre de femmes et 1 million le nombre d’hommes souffrantd’ostéoporose, pour un coût estimé à 1 milliard d’euros. La prévention par le développement d’outils de diagnosticest nécessaire. Le diagnostic doit permettre d’estimer la qualité osseuse (propriétés mécaniques, activitéscellulaires, architecture). Ces travaux de thèse proposent un modèle innovant permettant de combiner lesdifférents facteurs agissant sur le remodelage osseux, à savoir : (i) le comportement mécanique, (ii) l’activitécellulaire, (iii) le processus de transduction ; visant à traiter les différentes informations d’origines mécanique etbiochimique. Les lois de comportement mécaniques et cellulaires sont issues de modèles validés dans la littératureet la stratégie d’unification voit sa justification à travers différents travaux sur les mécanismes de transduction.Ainsi, l’implémentation de ces trois acteurs du remodelage dans une analyse par éléments finis permet d’obtenirun modèle mécano-biologique du remodelage de l’os trabéculaire. Le modèle est applicable à différentes échelles etpermet d’étudier le niveau de remodelage local modulé par l’activité physique et la concentration de certains agentsbiochimiques. L’application du modèle sur un volume virtuel de fémur selon différents scénarios cliniques donnedes résultats conformes aux observations faites en imagerie médicale.

By continuously undergoing mechanical and physiological stresses, bone quality and bone strength evolve throughremodeling process. However, osteoporosis and Paget’s disease for instance alter bone quality and increase the risk of bone fracture. Bone quality is mainly defined by its Bone Mineral Density (BMD) but mechanical properties and microarchitecture have also to be taken into account for a proper definition. About 3 million of women and 1 million of men suffer from osteoporosis which costs approximately 1 billion Euros per year in France. This highlights the necessity to develop diagnostic tools in order to enable proper bone quality characterization (mechanical properties, cellular activity and architecture).This thesis proposes an original model combining the main bone remodeling constituents which are : (i) the mechanical behavior, (ii) the cellular activity, (iii) the transduction phase ; enabling mechanical and biochemical information processing. Mechanical and cellular behavior models are taken from already published work and the transduction phase model unifying mechanical and biological information is inspired from the literature. Consequently, the implementation of these three main bone remodeling constituents into a finite element analysis gives a plausible mechano-biological model of trabecular bone remodeling. The developed model can be used at different scales in order to study the local amount of bone remodeled, magnified by physical activity and the concentration of some biochemical agents. Its application on virtual volume of femora under different clinical scenarios gives good results in respect to medical images observations.