La modélisation du remodelage osseux
Le squelette humain est un système hiérarchique complexe dans lequel les changements se manifestent dans l'espace du niveau de la cellule jusqu'au niveau du corps et dans le temps. Cette nature multi-échelle du remodelage osseux requiert une approche de modélisation capable de capturer plusieurs processus se déroulant à différentes échelles de temps et d'espace. Une telle description mathématique est essentielle pour comprendre la nature adaptative des os mais aussi pour développer des modèles et soutenir la conception des implants osseux ou aider au diagnostic des maladies. Pour ce faire, des scientifiques financés par l'UE ont exploré un nouvel outil pour quantifier la déformation aux niveaux cellulaire et tissulaire. Dans le cadre du projet MAMBO (Methodologically accurate modelling of bone: New experimental methods for the validation of cortical bone tissue computer models), les scientifiques ont préparé des échantillons osseux de tissus animaux. Des images 3D de ces échantillons ont été collectées au cours d'un processus de chargement et une corrélation du volume numérique (CVN) a été utilisée pour suivre les déplacements locaux et les déformations. L'un des nombreux avantages de la CVN était la possibilité de se baser sur des scans de tomographie haute résolution pour obtenir le vecteur de déplacement 3D complet. Ensuite, les champs de déplacement étaient différenciés à l'aide d'une différenciation numérique pour produire des cartes des déformations. À cette fin, trois stratégies différentes ont été testées: deux approches locales basées sur la corrélation directe et sur des transformations de Fourier rapides et une approche globale basée sur le kit d'outils d'enregistrement d'images de Sheffield (ShIRT) intégré à un résolveur d'éléments finis. Les erreurs moyennes et les erreurs affectant les composants individuels des déplacements et des déformations ont été calculées en fonction des paramètres d'enregistrement. La nouvelle approche globale basée sur ShIRT proposait des calculs plus précis des déformations pour les tissus osseux corticaux et trabéculaires. Cet algorithme est actuellement reconnu comme la méthode la plus fiable parmi celles mentionnées dans la littérature. Les déformations sont calculées avec précision mais une résolution spatiale typique d'environ 500 μm peut ne pas toujours être suffisante. Le projet MAMBO a dès lors défini un cadre d'expériences de validation pour tester de nouveaux modèles de calcul des os au niveau du tissu. La méthode a été utilisée pour valider des modèles informatiques pour les os trabéculaires en utilisant deux protocoles de test indépendants dans le même scanner microCT. Les résultats ont présenté d'excellentes corrélations entre les déplacements mesurés avec l'approche CVN et ceux prédits par les échantillons de modèles à éléments finis microCT spécifiques. Cela constitue une étape importante vers la validation des modèles informatiques qui peuvent être utilisés pour étudier le remodelage osseux, la résistance des tissus osseux et le comportement des fractures osseuses.
Mots‑clés
Remodelage osseux, squelette humain, MAMBO, tissu osseux, fracture osseuse