Ce protocole permet d’observer la microstructure de l’ensemble du fémur humain lorsqu’il se déforme sous l’effet d’une charge et d’une fracture. En imageant l’ensemble du fémur avec une résolution microstructurale, ce protocole permet d’étudier comment les différents compartiments corticaux trabéculaires de l’os déterminent de manière synergique sa capacité à supporter la charge. L’avancement de notre compréhension du mécanisme de la fracture osseuse peut éclairer les méthodes de diagnostic avancées de l’ostéoporose.
Ce protocole a été mis au point au Synchrotron australien, adapté pour être utilisé dans un micro-tomodensitomètre commercial à grand volume à l’Université et appliqué à l’étude de différentes régions anatomiques, y compris le genou et l’épaule. En principe, il peut être étendu à des matériaux de taille similaire à celle des os et des articulations humains entiers. Cette étude nécessite une expertise dans plusieurs disciplines, notamment l’imagerie, la mécanique des solides et la modélisation computationnelle en biomécanique.
Pour commencer, à l’aide d’un tomodensitomètre clinique, scannez l’échantillon de fémur avec une épaisseur de tranche et une taille de pixel dans le plan d’environ 0,5 à 0,7 millimètre. À côté de l’échantillon, scannez un fantôme d’étalonnage de densitométrie par tomodensitométrie, avec cinq concentrations connues d’hydrogénophosphate de potassium de colorant. Ensuite, segmentez la géométrie osseuse à partir des images de tomodensitométrie clinique, calibrez les niveaux de gris dans les images en fonction des valeurs de densité osseuse correspondantes et du module de Young, en utilisant la relation densité / module élastique.
Après avoir créé un maillage de la géométrie segmentée, importez-le dans le logiciel d’éléments finis. Entièrement contraint de trois à six millimètres de profondeur, l’extrémité distale du modèle, puis reproduit une configuration de charge de position à une jambe en appliquant une force nominale de 1000 Newton, enlevée de huit degrés de l’axe de la diaphyse fémorale dans le plan coronal et passant par le centre de la tête fémorale. Résolvez le modèle d’éléments finis à l’aide du solveur PCG intégré.
Ensuite, en exécutant les commandes indiquées, générez une table d’éléments contenant les première et troisième composantes de déformation principales au centroïde de l’élément. Ensuite, exécutez la commande indiquée pour calculer le rapport de déformation entre les première et troisième composantes de déformation principales du modèle et la déformation, l’intention et la compression de l’élasticité osseuse. Mettez à l’échelle la force nominale en fonction du rapport de déformation de pointe, de l’intention et de la compression, et écartez la plus grande des deux pour estimer la charge de rupture.
Positionnez un banc d’essai sur la platine de rotation de la micro-tomodensitométrie avec l’échantillon dans l’état de référence non chargé et démarrez la micro-tomodensitométrie. Répétez l’imagerie deux fois pour l’état non chargé et déroulez le câble après la numérisation. Appliquez l’incrément de force en actionnant manuellement le mécanisme du vérin à vis à une vitesse constante d’environ une seconde par tour, et effectuez l’imagerie micro-CT.
Répétez l’incrément de force jusqu’à ce que l’éprouvette se fracture, comme indiqué par une chute soudaine de la force de réaction. Effectuer une micro-imagerie par tomodensitométrie de l’échantillon fracturé. Visualisez ensuite la séquence d’images projetées à différentes étapes de chargement.
Sous-échantillonner les images micro-CT par quatre, afin de réduire le temps de calcul. Co-enregistrer de manière rigide, dans l’espace, les images de l’échantillon sous charge, avec celles de l’état de référence non chargé, en utilisant la diaphyse distale comme cible du co-enregistrement. Créez des modèles tridimensionnels de surface pour la visualisation après avoir binarisé les images micro-CT.
Déterminez le déplacement des images sur une grille de 50 pixels, à l’aide de la DVC d’os. Déterminez ensuite le tenseur de déformation, en convertissant la grille en un modèle d’éléments finis. Appliquez le déplacement calculé aux nœuds et résolvez le modèle.
Ensuite, à l’aide de l’interpolation cubique, avec la fonction inter P three de Mac-Lab, rééchantillonnez les volumes de déplacement et de déformation pour qu’ils correspondent à la taille de la taille d’origine des images micro-CT. Visualisez les déplacements, les déformations et les images microstructurales pour la visualisation et l’animation de grands volumes. Pour l’analyse de la déformation osseuse, affichez la déformation permanente de l’os en superposant les images obtenues à vide et après la fracture.
Affichez ensuite la déformation microstructurale progressive de l’os en superposant les modèles tridimensionnels dans des conditions non chargées, à des niveaux de charge croissants et après la fracture. Affichez la déformation de l’os à l’endroit de la fracture. Enfin, à l’aide de statistiques descriptives et de méthodes de régression, analysez l’énergie de déformation, la rigidité et le déplacement.
L’imagerie par micro-tomodensitométrie et les tests mécaniques concomitants permettent d’observer les fractures du col du fémur. Une animation a montré que la tête fémorale tournait progressivement médialement, tout en se déplaçant distalement vers le haut jusqu’à la fracture. La courbure de la tête s’est aplatie sous l’alvéole, où une instabilité corticale locale, mais pas d’instabilité du volume trabéculaire sous-jacent, a été observée.
L’apparition de la fracture se produit par la flexion du cortex, soit en progressant le long du groupe trabéculaire compressif principal, soit par cisaillement à environ 45 degrés de l’axe trabéculaire de compression principal. La déformation a dépassé le rendement osseux, une fois que les quatre ont réussi 50 % de la charge de fracture attendue, atteignant 8 à 16 % de compression avant la fracture. Une déformation permanente a été observée dans la région de la tête sous compression maximale.
La rupture s’est produite dans un état de déformation complexe, présentant une compression, une traction et une déformation de cisaillement. L’énergie de déformation était une fonction linéaire du déplacement jusqu’à la rupture, montrant un comportement de rupture stable. Un aspect critique pour la réplication du protocole est l’obtention de l’incrément de pas de charge, qui est important pour contrôler le nombre de pas de charge nécessaires pour provoquer une rupture au déplacement et la planification de l’expérience.
L’obtention d’images de bonne qualité est également importante pour une analyse significative des données. La croyance selon laquelle l’instabilité élastique qui entraîne une forte augmentation des incidents de fracture au-delà de 60 ans a focalisé le cas de la recherche en prévention de la fragilité sur l’épaisseur corticale. Le comportement de fracture élastiquement stable démontré par ce protocole, dans les os légèrement ostéoporotiques, déplace l’attention actuelle vers les interactions corticales et trabéculaires.
Cette procédure permet de faire progresser les modèles consideratifs de la mécanique osseuse, d’éclairer le diagnostic de fragilité et la conception de dispositifs implantables.
