Développement d'une modélisation par éléments finis pour caractérisation non destructive de la biomécanique osseuse à partir d'images MICRO-CT

De nombreuses pathologies affectant les os peuvent détériorer leurs propriétés mécaniques, augmentant ainsi leur risque de fracture. Afin de prévenir ces risques inapparents, de nombreuses études visent à caractériser la biomécanique osseuse. Plusieurs approches permettent d'évaluer le comportement et les paramètres mécaniques des tissus osseux. Une de ces approches consiste à combiner les techniques d'imagerie médicale, entre autres la microtomographie (micro-CT), et de modélisation par éléments finis (ÉF) afin d'évaluer, de manière non destructive, les propriétés mécaniques de sujets vivants au cours du temps. De telles approches analytiques ont été développées pour prédire le comportement biomécanique de différents os, provenant de divers modèles animaux et soumis à des cas de chargements variés. Cependant, le développement de ces modèles est spécifique au contexte de l'étude et au spécimen étudié. Une étude expérimentale visant à caractériser les effets de chargements d'impact appliqués à des tibiae de rats en période de croissance a été réalisée dans le cadre d'un projet complémentaire. Parmi les effets à analyser, on retrouve l'évaluation des changements dans la résistance mécanique des tibiae pendant cette période de chargement. L'objectif principal de ce projet était de développer et de vérifier un outil de modélisation par éléments finis combiné à l'imagerie par micro-CT permettant de caractériser la réponse d'un tissu osseux soumis à un chargement mécanique. Une première étude a permis dans un premier temps de développer une modélisation par éléments finis de tibiae de rats, préalablement imagés par micro-CT, puis dans un second temps de calibrer et vérifier cette modélisation à parti d'essais expérimentaux. Cette étude a été réalisée sur vingt-quatre spécimens de rats Sprague Dawley mâles répartis en trois groupes (n=8/groupe) âgés de 28, 56 et 84 jours, dont six spécimens par groupe ont servi à calibrer les modèles ÉF (MÉF) et deux spécimens par groupe à les vérifier. Les spécimens ont été radiographiés par micro-CT puis testés mécaniquement par flexion trois-points afin d'extraire les raideurs expérimentales (K_exp) des tibiae. La méthode de reconstruction par voxels a été utilisée afin de générer les MÉFs de chaque spécimen d'os, à partir des informations géométriques et densitométriques contenues dans les images micro-CT. Une loi liant le module d'Young (E) de chaque élément à ses propriétés densitométriques a été implantée dans le modèle et, par la suite, calibrée pour chaque groupe en minimisant l'erreur entre K_exp et la raideur évaluée numériquement à partir des MÉFs (K_FEA). La variabilité des propriétés mécaniques des spécimens et les prédictions des modèles ont été évaluées à l'aide d'outils statistiques. Les résultats obtenus pour cette première étude ont montré une évolution des paramètres mécaniques des tibiae de rat au cours de leur croissance, résultant en trois relations différentes E-densité, spécifiques à chacun des trois groupes d'âge étudié (E_28=10320∙ρ_cendres^3.45; E_56=43620∙ρ_cendres^4.41; E_84=20090∙ρ_cendres^2.0). Par ailleurs, des variabilités plus importantes ont été observées pour les raideurs expérimentales K_exp des spécimens de 56 jours (±15.3N/mm), qui sont en période de croissance accélérée à cet âge. Ce facteur pubertaire a également entrainé une moins bonne fiabilité de prédiction des paramètres mécaniques à ce stade de croissance (r=0.10). Une augmentation de la raideur expérimentale K_exp a été observée entre les spécimens de 28 et 84 jours (+259%). En parallèle, le module d'Young a augmenté avec l'âge des spécimens (+210%), un facteur contribuant ainsi de façon importante, comparativement aux changements géométriques, à l'augmentation des raideurs mécaniques pendant la croissance du rat. L'approche de modélisation développée, qui prend en compte les facteurs géométriques et mécaniques locaux de l'os, a permis d'évaluer efficacement ses paramètres mécaniques sans utiliser les simplifications reliées à la théorie des poutres. L'ajout de spécimens, tant pour les étapes de calibration que de vérification, ainsi que l'utilisation de modèles surfaciques, qui permettraient de simplifier les conditions limites appliquées au MÉF, seraient à considérer pour augmenter davantage la fiabilité des modélisations développées. Une deuxième étude a permis d'exploiter les outils développés afin d'évaluer de manière périodique les effets des chargements d'impact sur les propriétés mécaniques des tibiae de rats en période de croissance. Elle a été réalisée sur six spécimens de rats Sprague Dawley mâles, âgés de 28 jours au début de l'expérience, et provenant d'une étude complémentaire. Un chargement périodique a été appliqué au tibia droit de trois spécimens de la cohorte sur un intervalle de temps de 8 semaines, les trois autres étant gardés comme spécimens contrôles. Les spécimens ont été radiographiés par micro-CT à différents intervalles entre le début (28 jours) et la fin de l'expérience (84 jours). Les MÉFs correspondants aux spécimens ont été reconstruits en utilisant l'approche de modélisation présentée dans la première étude, et les raideurs numériques K_FEA ont été calculées pour chacun des six spécimens. Une étude approfondie des images micro-CT a été effectuée afin d'extraire les données densitométriques et géométriques des spécimens. Les résultats de cette deuxième étude ont montré une augmentation de densité (+15.8%), d'aire transverse (+10.5%) ainsi que de raideur K_FEA (+33.5%), pour les spécimens âgés de 84 jours chargés mécaniquement comparativement aux spécimens contrôles. Aucun changement n'a été constaté entre les tibiae chargés et ceux de contrôles à l'âge de 28 jours, ces rats étant analysés au premier jour de l'expérience. Ces résultats dévoilent que les chargements d'impact permettent de stimuler la croissance géométrique des tibiae de rats et d'en augmenter la densité osseuse. Ce phénomène de densification n'a d'ailleurs pas été observé pour des spécimens adultes soumis à des conditions de chargement comparables, suggérant que l'augmentation de raideur des os matures serait davantage liée au changement de géométrie, comparativement aux spécimens en période de croissance, pour lesquels cette augmentation serait également liée au phénomène de densification du tissu osseux. Une radiographie par micro-CT plus fine (i.e. résolution plus petite) que celle utilisée dans cette étude (18µm), serait pertinente afin de caractériser et quantifier davantage ce phénomène de densification pour les rats en croissance. Ce projet a permis de confirmer l'utilisation d'une modélisation par éléments finis pour déterminer la biomécanique osseuse des tibiae de rats en période de croissance. En effet, des relations ont été établies entre les paramètres mécaniques de l'os et l'information fournie par les images micro-CT, permettant ainsi de générer des modèles par éléments finis simulant le comportement en flexion des tibiae de rats âgés de 28, 56 et 84 jours. Ce projet a aussi permis de dévoiler que le comportement mécanique des tibiae ne peut être évalué avec la même modélisation tout au long de la phase de croissance des rats. En effet, la résolution adoptée pour l'imagerie micro-CT dans ce projet n'a pas permis d'observer les changements densitométriques au fil de la croissance des rats, alors que les valeurs de E ont crû pour ces spécimens, résultant en trois modélisations ÉF spécifiques aux trois groupes d'âges. Des résultats complémentaires ont permis de mettre en lumière l'utilité de cet outil pour des études nécessitant l'évaluation de la biomécanique osseuse au cours du temps des rats en période de croissance, sous l'effet de chargements d'impact. Cette approche de modélisation développée pour des rats en période de croissance représente une nouveauté dans le domaine de l'évaluation non-destructive de la biomécanique osseuse, apportant une contribution d'intérêt en biomécanique osseuse. Les résultats obtenus et les modèles développés au cours de ce projet pourront être exploités dans diverses études expérimentales, afin de caractériser l'influence d'une multitude de facteurs sur la biomécanique osseuse des rats en croissance.