Prédiction du chargement à rupture de vertèbres métastatiques par simulation numérique : validations inter-laboratoires

Failure load prediction of metastatic vertebrae using numerical simulation : inter-laboratories validations

• Auteur / Autrice : Valentin Allard
• Direction : Hélène Follet, David Mitton, François Bermond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 16/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiopathologie, Diagnostic et Traitements des Maladies Osseuses (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Laporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Follet, David Mitton, Anne-Sophie Bonnet, Fabio Galbusera, Cyrille Confavreux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Sophie Bonnet, Fabio Galbusera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation prédictive

Métastases osseuses

Fractures

Colonne vertébrale

Colonne vertébrale -- Lésions et blessures

Mots clés libres

Modèle éléments finis

Vertèbre humaine

Métastase

Validation croisée

Résistance osseuse

Risque de fracture

Finite element model

Human vertebrae

Metastasis

Cross-validation

Bone strength

Failure risk

Résumé

Les cancers les plus fréquents (sein et prostate) peuvent engendrer des métastases osseuses, c'est-à-dire des tumeurs secondaires dans l'os en raison de la migration de cellules cancéreuses à partir d'une tumeur primaire. Les métastases osseuses peuvent induire des fractures pathologiques (10 à 30 % de tous les patients atteints de cancer). Le SINS (Spinal Instability Neoplastic Score), le score clinique usuel pour prédire l'instabilité rachidienne en cas de lésions métastatiques, est subjectif et manque de précision quant à son score médian (7-12). Certains modèles par éléments finis ont été proposés pour surmonter cette limitation. Les modèles avec compression d'une seule vertèbre sont efficaces et précis, même pour les défauts lytiques, mais ils sont nombreux. Cependant, l'utilisation de l'analyse par éléments finis pour un usage clinique nécessite un processus bien défini tant pour la construction des modèles que pour leur validation. L'objectif de cette étude était de développer un modèle par éléments finis de vertèbres avec des lésions métastatiques, de valider ce modèle en comparant les résultats avec des expériences et d'autres modèles de la littérature à travers des collaborations inter-laboratoires (validations croisées). Dans une première partie, nous avons développé un modèle pour évaluer le chargement à rupture d'un corps vertébral avec des plateaux vertébraux sans défauts ni tumeurs. Cette partie contenait une étude de convergence sur le maillage et le pas de matériau, une estimation des performances sur un jeu de données en compression uniaxiale (352 ± 937 N), une validation croisée sur un jeu de données en compression antérieure (523 ± 482 N) et enfin une estimation de l'influence de l'opérateur (intra-opérateur : 37 ± 107 N ; inter-opérateur expert : 10 ± 103 N). Dans une deuxième partie, nous avons adapté le modèle précédemment validé pour évaluer le chargement à rupture d'un corps vertébral sans plateaux vertébraux avec des défauts percés (adaptation et estimation des performances) (78 ± 1512 N) et des métastases réelles (validation croisée) (656 ± 1683 N). Cette partie a surtout permis de valider la modélisation de lésions (sauf les lésions blastiques qui sont surestimées) ayant la même relation densité-propriétés mécaniques que l'os sans tumeurs. Dans une troisième partie, nous avons proposé l'application du modèle à l'évaluation de l'instabilité vertébrale et du risque de fracture en utilisant deux méthodes trouvées dans la littérature comme preuve de concept.

Most frequent cancers (breast and prostate) may lead to bone metastasis, i.e., secondary tumors in the bone because of cancerous cells migrating from a primary tumor. Bone metastases could induce pathological fractures (10 - 30% of all cancer patients). SINS (Spinal Instability Neoplastic Score), the usual clinical score to predict spinal instability with metastatic lesions is subjective and lacks precision regarding its median score (7-12). Some finite element models have been proposed to overcome this limitation. Models with single vertebra compression are efficient and accurate, even for lytic defects but they are numerous. However, the use of finite element analysis for clinical use requires a well-defined process both for building models and their validation. The aim of this study was to develop a finite element model of vertebrae with metastatic lesions, to validate this model by comparing results with experiments and other models from literature through inter-laboratories collaborations (cross-validations). In a first part, we developed a model to assess failure of a vertebral body with endplates without defects or tumors. This part contained a convergence study on mesh size and material step, performance estimation on a dataset in uniaxial compression (352 ± 937 N), cross-validation on a dataset in anterior compression (523 ± 482 N) and finally estimation of the operator influence (intra-operator: 37 ± 107 N; expert inter-operator: 10 ± 103 N). In a second part, we adapted the previously validated model to assess failure of a vertebral body without endplates with drilled defects (adaptation and performance estimation) (78 ± 1512 N) and real metastases (cross-validation) (656 ± 1683 N). This part especially validated the modelisation of lesions (except for blastic lesions which are overestimated) with the same density-mechanical properties relationship as bone without tumors. In a third part, we proposed the application of the model to the evaluation of vertebral instability and fracture risk using two methods found in literature as a proof of concept.