Modèles topologiques et mécaniques pour l’étude du comportement anisotrope de l’os trabéculaire

Topological and mechanical models for studying the anisotropic behavior oftrabecular bone

• Auteur / Autrice : Nicolas Rogalski
• Direction : Sébastien Laporte, Ivan Iordanoff, Jérémie Girardot, Christophe Cluzel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et ingénierie pour la santé
• Date : Soutenance le 14/06/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Paris ; 2013-....) - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Paris ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadia Bahlouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Laporte, Ivan Iordanoff, Jérémie Girardot, Christophe Cluzel, Nadia Bahlouli, Cédric Laurent, Patrick Chabrand, Philippe Zysset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Laurent, Patrick Chabrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Impression 3D

Dissertation universitaire

Fractures ostéoporotiques

Mots clés libres

Biomécanique

Os trabéculaire

Comportement Mécanique

Eléments Discrets

Impression 3D

Biomechanics

Cancellous bone

Mechanical behaviour

Discret elements

3D printing

Résumé

Le diagnostic clinique de l’ostéoporose repose aujourd’hui sur une évaluation de la densité minérale osseuse, bien que le lien entre la qualité architecturale de l’os trabéculaire et le risque de fracture ait été démontré. Ce travail se consacre donc à l’étude de l’influence des paramètres décrivant la topologie trabéculaire sur le comportement élastique et à rupture du tissu.Les indices morphologiques couramment référencés dans la littérature ne tiennent pas compte des types trabéculaires (plaque ou poutre) ni de leurs orientations respectives. Une méthode permettant d’extraire des ratios surfaciques spécifiques de plaques et de poutres ainsi que leurs anisotropies macroscopiques est ainsi proposée. Elle repose sur l’analyse de maillages triangulaires obtenus à partir d’images scanner de volumes représentatifs d’os, de résolution in-vivo compatible. Une large base de données d’échantillons d’os trabéculaire bovin, de géométries diverses, a été analysée.Pour s'affranchir de l'aspect destructif des essais expérimentaux et de la spécificité aux donneurs des architectures trabéculaires, un modèle paramétrique d’os est proposé. En utilisant les paramètres morphologiques classiques ainsi que les données de l'étude présentée ci-dessus, un squelette de plaques et de poutres respectant la topologie d'un échantillon cible est créé. Pour quantifier les différences entre les échantillons réels et synthétiques, le squelette est converti en un volume voxelisé, et les paramètres d'entrée sont réévalués sur l'os généré. L'image binaire résultante peut alors à son tour être convertie en un maillage triangulaire, pour être imprimé en 3D par exemple.Le squelette synthétique est finalement utilisé directement comme domaine de calcul dans une simulation de type Éléments-Discrets. Les propriétés tissulaires microscopiques sont calibrées à l’aide d’essais expérimentaux et le modèle discret permet alors de retrouver le comportement macroscopique élastique et post-rupture des échantillons réels de la base de données. Le modèle paramétrique ainsi validé est alors utilisé pour analyser l’influence des paramètres morphologiques et des directions de chargement sur la réponse mécanique de l’os.

The clinical diagnosis of osteoporosis is nowadays based on an assessment of bone mineral density, although the link between the architectural quality of the trabecular bone and the risk of fracture has been demonstrated. This work is therefore devoted to the study of the influence of the parameters describing the trabecular topology on the elastic and fracture behavior of the tissue.Morphological indices commonly referenced in the literature do not consider trabecular types (plate or rod) and orientations. A method to extract specific surface ratios of plates and rods as well as their macroscopic anisotropies is proposed. It is based on the analysis of triangular meshes of representative bone volumes, obtained from scanner images of in-vivo compatible resolution. A large database of bovine trabecular bone samples, of various geometries, has been analyzed.To get rid of the destructive aspect of experimental tests and donor-specificity of trabecular architectures, a parametric bone model is proposed. Using the classical morphological parameters as well as the data from the study presented above, a skeleton of plates and rods respecting the topology of a target sample is created. To quantify the differences between real and synthetic samples, the skeleton is converted to a voxelated volume, and the input parameters are re-evaluated on the generated synthetic bone. The resulting binary image can then in turn be converted into a triangular mesh, to be 3D printed for example.The synthetic skeleton is finally used directly as a computational domain in a Discrete Element simulation. The microscopic tissue properties are calibrated using experimental tests and the discrete model is then used to retrieve the macroscopic elastic and post-rupture behavior of the real samples in the database. The parametric model thus validated is then used to analyze the influence of morphological parameters and loading directions on the mechanical response of the bone.The introduction of new morphological parameters allowing a more detailed description of the trabecular architecture and the study of their influence suggests the use of new criteria for assessing the risk of osteoporotic fracture in clinical routine, independently of bone mineral density. The synthetic bone generator also opens the way to the design of prostheses better adapted to patients.