Définition de l ostéoporose

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1 Imagerie Multi Echelles de l'os et Prédiction du Comportement Biomécanique Jean Paul Roux INSERM unité 831 Lyon, France FORMAVIE 2010: Les images en biologie à différentes échelles

2 OSTEOPOROSE ET QUALITE OSSEUSE INSERM unité 831 Direction : Roland Chapurlat MECANISMES DE LA FRAGILITE OSSEUSE DANS L'OSTEOPOROSE : UNE APPROCHE INTEGREE DE LA QUALITE OSSEUSE.

3

4 Définition de l ostéoporose Une maladie caractérisée par une diminution de la masse osseuse et une détérioration micro-architecturale du tissu osseux qui entraîne une augmentation de la fragilité osseuse et du risque de fracture. World Health Organization (WHO), 1994 os normal os ostéoporotique Définition «opérationnelle» fondée sur l ostéodensitométrie l ostéodensitométrie : T-score -2.5

5 Ostéodensitométrie Resultats : g/cm2 T-score

6 Taux de Fractures # femmes avec des fractures > to to to to to to to to to -3.5 T-scores de DMO < -3.5 # femmes avec des fractures Fractures pour 1000 personnespersonnes-années Taux de fractures ostéoporotiques et nombre de femmes avec des fractures en fonction de la DMO 0 Siris et al., JAMA 2002

7 JBMR. 1996; vol11 n n 7:

8 mètre Imagerie MultiMulti-Echelles Corps Organe millimètre Tissue

9 micromètre Imagerie MultiMulti-Echelles Microstructure nanomètre Nanostructure

10 Imagerie non invasive Imagerie invasive Imagerie irradiante

11 QUALITE OSSEUSE? Qualité osseuse = résistance mécanique de l'os Evaluée : In vivo par la survenue de fractures in vitro par des tests biomécaniques Muller et al.

12 L'os est un matériau composite poreux Constitué : D'une phase organique principalement constituée de collagène D'une phase minérale D'une phase aqueuse Elles déterminent ensemble les propriétés biomécaniques intrinsèques de l'os.

13 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux Les propriétés biomécaniques de l'os dépendent : De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

14 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os De la quantité de tissu osseux Des propriétés du matériau propriétés biomécaniques De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

15 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE Dimension--géométrie Dimension Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux propriétés biomécaniques De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

16 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux propriétés biomécaniques De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De la quantité de tissu osseux De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

17 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux propriétés biomécaniques De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé microarchitecture De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

18 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé propriétés biomécaniques lining cells X X osteocyte

19 LES DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé propriétés biomécaniques lining cells X X osteocyte

20 Microcracks Measures : number, length, density. Reparation : targeted remodeling Microfractures are not similar to microcracks

21 Des propriétés du matériau : (collagène, minéral minéral)) De la dimension et de la géométrie des os 60% de la résistance osseuse 60% serait expliquée par la BMD qui est le déterminant majeur de la fragilité osseuse (Seeman & Demas NEJM 2006) 2006) De la quantité de tissu osseux résistance osseuse De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture)

22 La densité minérale osseuse ne prend pas en compte les déterminants individuels de la qualité osseuse Faible masse osseuse Haut degré de minéralisation Densité osseuse identique masse osseuse élevée Bas degré de minéralisation

23 La densité minérale osseuse ne prend pas en compte les déterminants individuels de la qualité osseuse Faible masse osseuse Haut degré de minéralisation Masse osseuse identique Même degré de minéralisation DIFFERENTE Densité osseuse MICROARCHITECTURE identique masse osseuse élevée Bas degré de minéralisation

24 De la dimension et de la géométrie des os Des propriétés du matériau : (minéral, collagène) De la quantité de tissu osseux Résistance Niveau du remodelage Turnover osseux Weinstein 2000 De la capacité de réparation des micro micro--cracks par un remodelage ciblé De l'organisation tridimensionnelle de ce tissu osseux (microarchitecture (microarchitecture))

25 Evaluation biomécanique de l'os Test en compression (quasi(quasi-statique ou fatigue) Test en traction Micro ou nano nano--indentation Test en torsion Test en cisaillement Test en flexion (traction + compression)

26 Evaluation biomécanique de l'os Paramètres obtenus Paramètres normalisés contrainte (Mpa) effort (N) fracture effort max. contrainte max. rupture E énergie nécessaire à la fracture raideur déplacement (mm) capacité à absorber de l'énergie module élastique (E) déformation (%) =

27 Evaluation biomécanique de l'os Résistance à la fracture ou contrainte maximum que peut supporter l'os contrainte (MPa) fracture capacité à absorber de l'énergie raideur déformation (%) réciproque de la fragilité

28 Fracture non traumatique Résistance à la fracture ou contrainte maximale que peut supporter l'os effort (N) fracture capacité à absorber de l'énergie Fracture traumatique raideur déplacement (mm) réciproque de la fragilité (cassant)

29 Ostéopétrose : effort (N) normal assez bonne résistance à la contrainte faible résistance au choc ostéomalacie Ostéomalacie : faible résistance à la contrainte déplacement assez bonne résistance aux chocs d'après Turner 2002

30 Risque de Fracture (propriétés mécaniques) Quantité d os > 60% + Microarchitecture 0 to 40%

31 X rays µµ-ct Skyscan 1076 in vivo Characteristics : voxel size : 9, 18, 35µm (isotropic) specimen size : max 65mm diameter

32 BASIS PRINCIPLES OF MICROTOMOGRAPHY Any X-ray shadow image is corresponding to a 2 dimensional projection from a 3D object reconstruction (algorithm calculate inversion process) Rotation of the object (back projections)

33 BASIS PRINCIPLES OF MICROTOMOGRAPHY Approximation and limitation Polychromatism Fan beam and cone beam

34 2D slice reconstructed from 720 projections (360 (360 each ; 35µm spatial resolution) 2D stack CT CT--analyser builds 3D models from 2D stack for visualization and morphometric analysis.

35 Recomputed images coronale sagitale Original slice

36 3D structural and microarchitectural parameters SkyscanTM CTCT-analyser software BV (µm3), TV (µm3), BS (µm2) and BV/TV (%) Tb.Th (µm), Tb.Sp (µm) and Tb.N (/mm) In 2D, their measurements require the assumption about the nature of the structure according 3 models : - plate model - rod model - sphere model In 3D, these parameters can be measured which is modelmodel-independent (diameter of a spherical probe). probe). A trabecular bone volume can also be characterized by a distribution of thicknesses, thicknesses, we can output histograms. histograms.

37 3D structural and microarchitectural parameters SkyscanTM CTCT-analyser software Degree of anisotropy (DA) : measure the preferential or absence of preferential alignment of structure (method derived of the Mean Intercept Length method, MIL) number of intercepts isotropic structure

38 3D structural and microarchitectural parameters SkyscanTM CTCT-analyser software Degree of anisotropy (DA) : measure the preferential or absence of preferential alignment of structure. number of intercepts non isotropic structure min value DA = 1 max value (0 for total isotropy and 1 for total anisotropy)

39 3D structural and microarchitectural parameters SkyscanTM CTCT-analyser software Trabecular Bone Pattern Factor (TBPf) Evaluation of the concavityconcavity-convexity of a structure normal Osteoporosis concavity convexity Principle : perimeter measurement before and after dilatation original perimeter perimeter after dilatation convexity : perimeter concavity : perimeter

40 3D structural and microarchitectural parameters SkyscanTM CTCT-analyser software Structure Model Index (SMI) surfaces measurement Principle about similar to TBPf but in 3D (3D before and after dilatation) SMI indicates the relative prevalence of rods and plates. - plates have an SMI value of 0 - rods 3 normal Osteoporosis - spheres 4 Euler number provides a measure of connectivity density.

41 Modélisation par éléments finis (MEF) à partir de reconstruction µctµct-3d B. Dépalle

42 Modélisation par éléments finis (MEF) à partir de reconstruction µctµct-3d Avantages: Possibilité (théorique) de prendre en compte tous les déterminants en les intégrant au modèle. Limitations: Difficulté du choix du modèle (modèle homogène ) Résolution in vivo limitée. Puissance de calcul limitée

43 Correlations d'images

44 Correlations d'images Champs de deformation

45 Contribution of trabecular and cortical components to biomechanical behavior of human vertebrae. An exex-vivo study X-rays bone densitometry (DXA) micro CT direct morphometry mechanical tests in compression collagen analysis

46 Trabecular microarchitecture Cranial Anterior cortical shell

47 Biomechanical experimental processing Screw driven machine (Schenck RAS 250) load cell (max force : 250kN) displacement transducer (0.2mm resolution, 800mm max displacement) In Ashman solution (50% ethanol + 50% saline solution) Temperature regulation of the bath at 37 37

48 Stress--strain curves of vertebrae Stress

49

50

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