Imagerie du mécanisme de défaillance microstructurale de la hanche humaine

Summary

Le protocole permet de mesurer la déformation de la microstructure osseuse dans l’ensemble du fémur humain proximal et sa ténacité en combinant un micro-scanner de grand volume, une platine de compression sur mesure et des outils avancés de traitement d’image.

Abstract

L’imagerie de la microstructure osseuse sous des charges croissantes permet d’observer le comportement de défaillance microstructurale de l’os. Nous décrivons ici un protocole permettant d’obtenir une séquence d’images microstructurales tridimensionnelles de l’ensemble du fémur proximal sous déformation croissante, provoquant des fractures cliniquement pertinentes du col du fémur. Le protocole est démontré à l’aide de quatre fémurs de donneuses âgées de 66 à 80 ans à l’extrémité inférieure de la densité minérale osseuse dans la population (plage de score T = −2,09 à −4,75). Une platine de compression radio-transparente a été conçue pour charger les échantillons en reproduisant une position sur une jambe, tout en enregistrant la charge appliquée lors de l’imagerie par micro-tomodensitométrie (micro-TDM). Le champ de vision était de 146 mm de large et 132 mm de haut, et la taille des pixels isotropes était de 0,03 mm. L’incrément de force était basé sur des prédictions par éléments finis de la charge de rupture. L’étage de compression a été utilisé pour appliquer le déplacement à l’éprouvette et exécuter les incréments de force prescrits. Des fractures sous-capitales dues à l’ouverture et au cisaillement du col du fémur sont survenues après quatre à cinq incréments de charge. Les images micro-CT et les mesures de force de réaction ont été traitées pour étudier la déformation osseuse et la capacité d’absorption d’énergie. L’instabilité du cortex est apparue dès les premières étapes de la charge. L’os sous-chondral de la tête fémorale présentait de grandes déformations atteignant 16 % avant la fracture, et une augmentation progressive de la capacité de soutien jusqu’à la fracture. L’énergie de déformation augmentait linéairement avec le déplacement jusqu’à la rupture, tandis que la rigidité diminuait jusqu’à des valeurs proches de zéro immédiatement avant la rupture. Les trois quarts de l’énergie de rupture ont été absorbés par l’éprouvette au cours de l’incrément final de force de 25 %. En conclusion, le protocole développé a révélé une remarquable capacité d’absorption d’énergie, ou tolérance aux dommages, et une interaction synergique entre l’os cortical et trabéculaire à un âge de donneur avancé.

Introduction

Les fractures du col du fémur sont un fardeau majeur pour la population vieillissante. L’imagerie par micro-tomodensitométrie (micro-TDM) et les tests mécaniques concomitants permettent d’observer la microstructure osseuse et d’étudier sa relation avec la solidité des os, ses changements liés à l’âge et ses déplacements sous charge ^1,2. Cependant, jusqu’à récemment, les études de micro-tomodensitométrie de l’os sous charge étaient limitées aux carottes osseuses excisées³, aux petits animaux⁴ et aux unités de la colonne vertébrale humaine⁵. Le présent protocole permet de quantifier le déplacement de la microstructure de l’ensemble du fémur humain proximal sous charge et après une fracture.

Plusieurs études ont été menées pour étudier la défaillance du fémur humain, et parfois, celles-ci ont abouti à des conclusions contrastées. Par exemple, on pense que l’amincissement des structures corticales et trabéculaires lié à l’âge détermine la susceptibilité à la fracture liée à l’âge en provoquant une instabilité élastique de l’os^6,7, ce qui contraste apparemment avec le coefficient élevé de détermination de la déformation corticale et des prédictions de la force fémorale en supposant l’absence d’instabilité élastique (R² = 0,80-0,97)^8,9. Néanmoins, ces études ont systématiquement sous-estimé la force fémorale (de 21 % à 29 %), remettant ainsi en question les réponses osseuses fragiles et quasi-cassantes mises en œuvre dans les modèles ^8,10. Une explication possible de ces résultats apparemment contrastés peut résider dans un comportement de fracture différent des os entiers par rapport aux noyaux osseux isolés. Par conséquent, l’observation de la déformation et des réponses fracturées de la microstructure osseuse dans des fémurs proximaux entiers peut faire progresser les connaissances sur la mécanique des fractures de la hanche et les applications connexes.

Les méthodes actuelles d’imagerie d’os humains entiers avec une résolution micrométrique sont limitées. La taille du portique et du détecteur doit fournir un volume de travail approprié pour accueillir le fémur proximal humain (environ 13 cm x 10 cm, largeur x longueur) et éventuellement une taille de pixel de l’ordre de 0,02 à 0,03 mm pour garantir que les caractéristiques micro-architecturales pertinentes puissent être capturées¹¹. À l’heure actuelle,^{certaines installations} synchrotron 1 et certains micro-tomodensitomètres à grand volume disponibles dans le commerce peuvent satisfaire à ces spécifications^12,13. L’étage de compression doit être radio-transparent afin de minimiser l’atténuation des rayons X tout en générant une force suffisante pour provoquer une fracture du fémur humain (par exemple, entre 0,9 kN et 14,3 kN pour les femmes blanches âgées)¹⁴. Cette grande variation de la charge de rupture complique la planification du nombre d’étapes de charge à rompre, de la durée globale de l’expérience et de la quantité correspondante de données produites. Pour résoudre ce problème, la charge et l’emplacement de la fracture peuvent être estimés par modélisation par éléments finis en utilisant la distribution de la densité osseuse de l’échantillon à partir d’images de tomodensitométrie clinique (TDM) ^1,2. Enfin, après l’expérience, le grand volume de données générées doit être traité pour étudier les mécanismes de défaillance et la capacité de dissipation d’énergie dans l’ensemble du fémur humain.

Nous décrivons ici un protocole permettant d’obtenir une séquence d’images microstructurales tridimensionnelles de l’ensemble du fémur proximal sous déformation croissante progressive, ce qui provoque des fractures cliniquement pertinentes du col fémoral². Le protocole comprend la planification de l’incrément progressif de la compression de l’échantillon, le chargement via une platine de compression radio-transparente personnalisée, l’imagerie via un micro-scanner micro-CT grand volume et le traitement des images et des profils de charge.

Protocol

Le protocole a été élaboré et testé avec 12 échantillons de fémur reçus dans le cadre d’un programme de don de corps. Les échantillons ont été obtenus frais et stockés à −20 °C au laboratoire de biomécanique et d’implants de l’Université Flinders (Tonsley, Australie-Méridionale, Australie). L’humidité osseuse a été maintenue tout au long de l’expérience. Les donneuses étaient des femmes de race blanche (âgées de 66 à 80 ans). L’autorisation d’éthique a été obtenue auprès du Co…

Representative Results

Les images montrent l’ensemble du fémur proximal, l’alvéole de pression, le ciment dentaire, la cupule en aluminium et le tissu d’emballage. On observe que la micro-architecture osseuse se déforme progressivement au fur et à mesure que la charge augmente avant et après la fracture (Figure 4). Figure 4</stro…

Discussion

Le présent protocole permet d’étudier ex vivo la micromécanique temporelle des fractures de la hanche en trois dimensions. Un étage de compression radiotransparent (aluminium) capable d’appliquer une déformation progressive à la moitié proximale du fémur humain et de mesurer la force de réaction a été conçu, fabriqué et testé sur mesure. Un micro-tomodensitomètre à grand volume est utilisé dans ce protocole pour fournir une séquence temporelle de volumes d’images affichant l’ensemble du…

Materials

Absorbent tissue	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Alignment rig	Custom-made		Rig for positioning the specimen in the potting cup
Aluminium potting cup	Custom-made		Potting cup
Bone saw	N/A		Cut the specimen to size
Calibration phantom QCT Pro	Mindways Software, Inc., Austin, USA	CT Calibration 13002	Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels
Clinical Computed-Tmography scanner	General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA	Optima CT660	Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture
Compressive stage	Custom-made		A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen.
Dental cement	Soesterberg, The Netherlands	Vertex RS
Femur specimen	Science Care, Phoenix, USA
Finite-element analysis software	ANSYS Inc., Canonsburg, USA	ANSYS Mechanical APDL	Finite-element software package
Freezer	N/A		Store specimens at -20 °C
Hard Drive	Dell		Disk space: 500 GB per volume
Image bnarization and segmentation software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	CT analyzer	Image processing software
Image elastic segmentation	The University of Sheffield	Bone DVC	https://bonedvc.insigneo.org/dvc/
Image processing and automation software	The MathWork Inc.	Matlab	Image processing software
Image registration software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	DataViewer	Image processing software
Image segmentation and FE modelling software	Simpleware, Exeter, UK	Scan IP	Bone egmentation software
Image stiching script	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		The script is available at IMBL
Image visualization	Kitware, Clifton Park, NY, USA	Paraview	Image visualization
Image visualization	Australian National University	Dristhi	Image visualization: doi:10.1117/12.935640
Imaging and Medical beamline	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron
Laptop	Dell Inc., USA
Low-friction x-y table	THK Co., Tokyo, Japan
NI signal acquisition software	National Instruments, Austin, TX	NI-DAQmx
Phosphate-buffered saline solution	Custom-made		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Plastic bag	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Rail	SKF Inc., Lansdale, PA, USA
Screw-jack mechanism	Benzlers, Örebro, Sweden	Serie BD (warm gear unit)	stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm
Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µm/px; 50 fps
Six axis load cell	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	K6D6	Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm
Strain amplifier	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	GSV-1A8USB K6D/M16