Renforcement du fémur proximal à l'aide de ciment orthopédique étude de son effet sur les propriétés mécaniques de l'os trabéculaire

Abstract

L'objectif général de cette étude est d'établir une meilleure compréhension du renforcement efficace du fémur proximal à l'aide de ciment orthopédique et ce, en raison de l'accroissement des cas d'ostéoporose, lequel est causé par le vieillissement de la population. Lorsqu'il est question d'efficacité de renforcement, on fait référence à la localisation judicieuse du ciment, à la quantification adéquate de celui-ci ainsi qu'au bon choix de ses propriétés mécaniques. Jusqu'à présent, des études sur l'os trabéculaire ont été menées tant à l'échelle macroscopique qu'à l'échelle microscopique, soit à l'échelle de l'os entier et à l'échelle des trabécules et cavités respectivement. La présente étude se trouve à étendre les travaux faits à l'échelle microscopique puisqu'elle vise à analyser le mécanisme de renforcement osseux au niveau de la microstructure de l'os trabéculaire. Cette étude développera une plate-forme qui permettra de tester et d'étudier numériquement des tissus osseux poreux avec et sans ciment orthopédique, tout en portant une attention particulière à la directionalité de la structure et des cavités des échantillons. La directionalité de la structure ainsi que celle des cavités seront d'importances égales puisqu'elles influencent l'orientation des propriétés mécaniques des deux matériaux formant le composite os-ciment. Ainsi, afin d'étudier la microstructure trabéculaire, les os seront imagés par micro- tomographie pour ensuite être analysés numériquement sur les plans morphométrique ainsi que mécanique. Les résultats anticipés sont un avancement méthodologique au niveau de la façon d'analyser le renforcement osseux en considérant l'architecture des cavités et en utilisant un nouveau critère objectif de validation du modèle de l'ellipsoïde. On s'attend également à une meilleure compréhension du mécanisme d'augmentation des propriétés mécaniques de l'os trabéculaire, laquelle permettra une meilleure planification des renforcements osseux. En ce qui concerne les résultats obtenus, la présente étude a montré que le MBL était l'algorithme à employer pour bien mesurer les tenseurs structuraux des échantillons. Cela s'explique par sa bonne capacité à identifier les axes principaux avec précision et à bien calculer les degrés d'anisotropie tout en n'induisant aucun biais statistique. Pour les fins de l'étude, seize échantillons issus d'un fémur sain et un ostéoporotique ont été utilisés. D'entre eux, deux ont été rejetés, car ils étaient incomplets. Ainsi, la densité volumique des échantillons et leurs tenseurs structuraux ont été déterminés. Il a aussi été montré que le modèle d'ellipsoïde était adéquat dans le cadre de cette étude, puisque les échantillons présentaient tous un coefficient de détermination (r 2 ) de 0,80 et plus. De plus, les déviations entre chaque paire d'axes principaux, comparant la i e direction de la structure osseuse à la i e direction des cavités, vont de 2,7472[degré] à 10,5836[degré] dans le cas du fémur sain et de 8,5474[degré] à 17,3925[degré] dans le cas de celui ostéoporotique. De ces résultats, il a été conclu que le renforcement osseux aura nécessairement un impact sur les axes mécaniques principaux des zones renforcées, car les axes principaux des cavités et ceux des structures osseuses ne coïncident pas. Du côté des éléments finis, les simulations requises par l'étude n'ont pu être réalisées, et ce, en raison du manque de mémoire engendré par l'importante taille des simulations. Ainsi, n'ayant pu faire fonctionner Code Aster en parallèle sur le supercalculateur Mammouth, il n'a pas été possible d'obtenir les tenseurs d'élasticité des échantillons avec et sans ciment. Le plus gros échantillon qui a pu être traité faisait 60x60x60 voxels, soit un volume huit fois plus petit que ce qui était désiré, et a requis 8 Go de mémoire en plus de vingt-quatre heures de calcul. Bref, bien qu'il n'a pas été possible de relier les tenseurs structuraux aux tenseurs d'élasticité des échantillons avec et sans ciment, il a néanmoins pu être déterminé que le renforcement aura non seulement un impact sur l'amplitude des propriétés mécaniques, mais aussi sur les directions principales de celles-ci. À présent, il faudra quantifier l'impact de ces changements sur les propriétés mécaniques de la zone renforcée, à l'aide des simulations par éléments finis, afin de pouvoir mieux anticiper les effets du renforcement osseux. En devenant plus efficace, cette technique pourra éventuellement être davantage employée en clinique afin de prévenir différentes fractures ostéoporotiques et leurs fâcheuses conséquences.