Analyses computationnelles et expérimentales guidées par l'image de l'os d'un patient fracturé (GAP) (GAP)

L'étude des mécanismes d'atteinte osseuse, qui se produisent à l'échelle multi-échelle, est d'une importance fondamentale pour la compréhension des processus fracturaires. En particulier, les fractures liées à l'âge sont en constante augmentation en raison de l'augmentation de l'âge moyen et de maladies répandues telles que l'ostéoporose. Ils entraînent des charges économiques élevées, une morbidité (y compris psychologique, par exemple une fragilité) et une mortalité accrue. Afin de réduire l'impact des fractures osseuses sur la santé et l'économie, un diagnostic précoce est la clé. Dans ce contexte, il faut considérer que l'os se caractérise par une structure hiérarchique complexe. Les sections corticales et trabéculaires sont constituées de lamelles micrométriques, composées de fibrilles de collagène, à l'intérieur desquelles se trouvent les ostéocytes. Ils résident dans des cavités submicrométriques appelées lacunes, qui sont reliées par un réseau dense de canalicules. À l'échelle nanométrique, les fibrilles sont constituées principalement de cristaux de collagène et d'hydroxyapatite. Cette architecture complexe se reflète dans les schémas de fracture : les dommages, en fait, se produisent à plusieurs échelles. Cependant, les modèles de fracture et leurs phénomènes physiques associés ne sont toujours pas compris, en particulier à l'échelle microscopique.

Récemment, des techniques d'imagerie à l'échelle microscopique ont été combinées à des modèles numériques spécifiques à un sujet, capables de calculer des valeurs locales de contrainte et de déformation osseuses. Des études préliminaires se sont concentrées sur l'évaluation d'une éventuelle interaction entre les microfissures et la porosité microstructurale. Cette recherche particulière se concentre sur le réseau lacunaire, qui est présumé affecter de manière significative la résistance osseuse à la fracture, bien que le rôle réel du réseau lacunaire ne soit pas encore élucidé. Tout d'abord, les lacunes sont des zones de concentration de contraintes, qui conduisent apparemment à l'affaiblissement de la structure osseuse. Cependant, dans la plupart des cas, les lacunes contribuent positivement à la ténacité en déviant le front de fissure. La liaison entre les lacunes, déterminée par le réseau de canalicules, est également réduite chez les sujets ostéoporotiques, empêchant le ralentissement des lésions. En ce sens, l'os peut être considéré comme un matériau tolérant aux dommages. Donaldson et al ont développé des modèles informatiques et estimé un seuil pour l'initiation et la propagation des microdommages. Ils ont utilisé la micro-tomographie informatisée de fémurs murins et évalué l'influence de différents algorithmes sur la propagation des dommages in silico. D'autres résultats ont montré que les dommages se produisent toujours à la surface des vaisseaux sanguins ou des porosités et ne partent pas des lacunes. Cependant, d'autres simulations et modèles seraient nécessaires pour vérifier l'efficacité des modèles de dommages.

Les modèles de dommages informatiques nécessitent également une validation expérimentale. Des études préliminaires ont été menées dans deux directions principales : l'imagerie in vivo et les techniques d'évaluation des défaillances guidées par l'image (IGFA). La première approche permet un suivi non destructif des dommages osseux chez les animaux vivants. La deuxième approche, mise en œuvre par A. Levchuk et al. (8), montre un énorme potentiel en permettant l'étude de l'initiation et de la propagation des microfissures avec une résolution sub-micrométrique, mais uniquement sur de petits animaux.

La recherche actuelle veut pour la première fois effectuer des tests sur des échantillons d'os humains en appliquant les techniques IGFA.

Malgré plusieurs études sur la caractérisation des modèles d'endommagement à l'échelle microscopique, une validation des modèles informatiques de fracture sur des sujets humains fait toujours défaut. De plus, le rôle des caractéristiques morphologiques à l'échelle microscopique dans les échantillons est encore inconnu.

Ces études à petite échelle pourraient améliorer la compréhension clinique de la fracture osseuse et la prédiction du risque de fracture. Actuellement, les cliniciens utilisent la densité minérale osseuse, qui est un paramètre à grande échelle, comme facteur prédictif le plus courant de fracture osseuse. Cependant, des études récentes démontrent l'importance d'une caractérisation approfondie des caractéristiques géométriques et morphologiques de la microarchitecture.

OBJECTIFS

Objectif général L'étude vise à la validation expérimentale de modèles informatiques de dommages osseux à l'échelle microscopique. L'objectif général est poursuivi par des dommages contrôlés dans une machine de micro-compression sur des échantillons d'os humain de tête fémorale. La machinerie est placée à l'intérieur d'un synchrotron.

Objectif principal L'objectif principal de la présente étude est d'évaluer la différence d'attraction des dommages osseux par rapport aux lacunes dans les deux groupes considérés (ostéoporotiques et non ostéoporotiques) suite à des tests de micro-compression.

Le paramètre discriminant choisi s'avère être le nombre de lacunes osseuses rencontrées par les micro-dommages. Nous nous attendons à observer une taille d'effet de 0,4 entre les deux groupes par rapport au paramètre choisi.

Objectifs secondaires

• Détermination du rôle des lacunes, canalicules et autres microstructures osseuses dans les dommages. Des échantillons d'os humains sont scannés par micro-tomographe pour la définition de paramètres morphologiques microstructuraux et la réalisation et l'analyse de modèles numériques.
• Validation de ces modèles numériques d'endommagement par des essais de micro-compression réalisés in situ dans un synchrotron de résolution adéquate
• Quantification des dommages dans des échantillons d'os humains touchés par l'ostéoporose
• Définition d'indices de fracture à micro-échelle, utiles pour le diagnostic précoce de l'ostéoporose