Titre de la Thèse Prédiction du risque de fracture par - LBMC

Titre de la Thèse
Prédiction du risque de fracture par simulation numérique intégrant
des conditions de chargement réalistes
Lieu de travail principal
LBMC (Lyon-Bron)
Encadrants
David Mitton, Directeur de Recherche
Tel : 04 72 23 61, e-mail : [email protected]
Hélène Follet, Chargé de Recherche
La mobilité peut être affectée par des pathologies liées au vieillissement, telles que l’ostéoporose qui conduit à un risque
de fracture augmenté. La prédiction du risque de fracture repose, à l’heure actuelle, sur la mesure de la densité minérale
osseuse qui constitue la méthode de référence. Cependant, cette méthode n’est pas suffisamment discriminante et
d’autres approches sont développées pour tenter de mieux prédire le risque de fracture.
Une approche basée sur la simulation par éléments finis intègre la géométrie tridimensionnelle de la structure osseuse, les
propriétés des matériaux (os cortical et spongieux) composants cette structure et des conditions aux limites. Cette
approche basée sur la mécanique des structures permet de prédire la résistance osseuse à 90 % (par ex. Duchemin et coll.
2008). Par contre, le risque de fracture qui peut être estimé par le rapport du chargement appliqué à la structure sur sa
résistance, n’est pas mieux prédit qu’à partir de la seule mesure de la densité minérale osseuse. Si la géométrie et les
propriétés matériaux sont bien prises en compte, les conditions aux limites ont fait l’objet de moins d’attention. Lors
d’une chute de sa hauteur, un individu heurte le sol à une vitesse de l’ordre de 2 m/s et avec une orientation dépendant
de la configuration de chute. Pour le radius (os de l’avant-bras), cette orientation est axiale dans seulement 15% des cas
(voir figure). Cette orientation ainsi qu’un chargement quasi-statique sont pourtant considérés dans la quasi-totalité des
modèles développés. Nous faisons l’hypothèse que les conditions de chargement sont un déterminant majeur de la
prédiction du risque de fracture (Mitton et coll. 2013). Une première étude a montré que le chargement non-axial
pourrait être d’intérêt pour l’évaluation de la fracture (Zapata et coll. 2014).
Scénarios de chargement en cas de chute (d’après Melton et coll. 2010)
Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont :
-
Modéliser les conditions de chargement lors d’une chute sur l’avant-bras et simuler le risque de fracture
Intégrer une loi de comportement avec endommagement (lié à l’accumulation de micro-fissures)
Simuler le risque de fracture sur quelques chargements successifs (par ex. 3) simulant des chutes répétées et les
comparer à des expérimentations ex vivo.
Appliquer cette approche pour estimer le risque de fracture sur une cohorte (in vivo) de sujets fracturés et non
fracturés
Les résultats attendus devraient permettre d’améliorer le pouvoir prédictif du risque de fracture, à partir d’une approche
basée sur la simulation par éléments finis.
Références :
Duchemin L, Mitton D, Jolivet E, Bousson V, Laredo JD, Skalli W (2008). An anatomical subject-specific FE-model for
hip fracture load prediction. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 11 (2):105 - 111.
Melton LJ, 3rd, Christen D, Riggs BL, Achenbach SJ, Muller R, van Lenthe GH, Amin S, Atkinson EJ, Khosla S (2010)
Assessing forearm fracture risk in postmenopausal women. Osteoporosis International 21:1161-1169.
Mitton D, Zapata E, Follet E. Sollicitations mécaniques à l’échelle de l’organe : Quelles conséquences ? 8e Séminaire
Qualité Osseuse, Paris, 19 juin 2013. Suppl. Osteoporosis International 25(S3):468-70.
Zapata E., Duboeuf F., Ellouz R., Boutroy S., Mitton D., Follet H. A methodology to assess non-axial loading on the
distal radius. Congrès annuel de la Société de Biomécanique, 23-29 août 2014., Proceedings in Computer Methods in
Biomechanics and Biomedical Engineering, suppl. 1: 44-45.
Mots clefs : Mobilité, Sujets âgés, Fracture, Prédiction de lésions
The mobility can be affected by pathologies related to ageing, such as osteoporosis which increase the fracture risk.
Fracture risk prediction is currently based on bone mineral density measurement, considered as the gold standard.
However, this method is not sufficiently discriminant and other approaches have been developed in order to improve
fracture risk prediction.
An approach based on finite element modelling includes 3D geometry of the bone, mechanical properties of bone tissues
(cortical and cancellous), and the loading conditions. This approach based on structural mechanics allows bone strength
prediction up to 90 % (e.g. Duchemin et al. 2008). However, the fracture risk assessed by the ratio between the loading
and the bone strength is not more discriminant than by the measurement of the bone mineral density. The geometry and
the mechanical properties are well integrated in the finite element models, but the loading conditions are less studied.
In case of a fall, a subject will hurt the floor at a speed of 2m/s in a direction depending of the fall configuration. For the
radius (bone of the forearm), the direction of loading is axial in 15% of the cases (Melton et al. 2010). This loading
direction in quasi-static is considered in almost all the existing models. We make the assumption that the loading
conditions are one of the main determinants of the fracture risk prediction (Mitton et al. 2013). A first study showed that
a non-axial loading could be of interest to assess the fracture (Zapata et al. 2014).
In this context, the aims of this PhD project are:
-
Modelling of the loading conditions in the case of a fall on the forearm and simulation of the fracture risk
-
Integration of a constitutive law with damage (linked to microcracks accumulation)
Simulation of the fracture risk following few successive loadings (e.g. 3) representing repeated falls and
comparison with ex vivo experiments
Application of this approach to assess the fracture risk on a cohort (in vivo) including fractured and nonfractured subjects.
The expected results should improve the fracture risk prediction using an advanced finite element model.
References:
Duchemin L, Mitton D, Jolivet E, Bousson V, Laredo JD, Skalli W (2008). An anatomical subject-specific FE-model for
hip fracture load prediction. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 11 (2):105 - 111.
Melton LJ, 3rd, Christen D, Riggs BL, Achenbach SJ, Muller R, van Lenthe GH, Amin S, Atkinson EJ, Khosla S (2010)
Assessing forearm fracture risk in postmenopausal women. Osteoporosis International 21:1161-1169.
Mitton D, Zapata E, Follet E. Sollicitations mécaniques à l’échelle de l’organe : Quelles conséquences ? 8e Séminaire
Qualité Osseuse, Paris, 19 juin 2013. Suppl. Osteoporosis International 25(S3):468-70.
Zapata E., Duboeuf F., Ellouz R., Boutroy S., Mitton D., Follet H. A methodology to assess non-axial loading on the
distal radius. Congrès annuel de la Société de Biomécanique, 23-29 août 2014., Proceedings in Computer Methods in
Biomechanics and Biomedical Engineering, suppl. 1: 44-45.