L’imagerie médicale et la 3D, en pleine expansion dans le champ de l'anthropologie biologique, permettent d’explorer les structures internes tout en les préservant. L’étude de la micro-architecture osseuse trabéculaire permet d’appréhender la variabilité de l'os humain à une échelle jusqu'à présent peu explorée. Dans le cadre de cette recherche, cette variabilité est analysée et caractérisée en termes de croissance et de maturation, en fonction des critères individuels d’âge et de sexe, ainsi que dans des contextes pathologiques variés. Les images microtomodensitométriques des métaphyses humérales proximales de 43 sujets immatures (provenant de 3 collections ostéologiques de référence et couvrant l’ensemble des âges du développement) et celles de 8 cas paléopathologiques (représentant 5 étiologies différentes) ont été analysées pour quantifier la micro-architecture osseuse trabéculaire. Nos résultats montrent que cette micro-architecture varie pendant et entre les différentes phases de la croissance. Des corrélations avec l’âge sont mises en évidence, si elles n’expliquent pas suffisamment la variabilité observée pour en faire des estimateurs d'âge précis, il apparaît néanmoins que les variations relevées entre les différents volumes d’intérêt pourraient caractériser différentes périodes de la croissance. Les variables mesurées présentent des différences sexuelles significatives pendant l’adolescence, mais ne peuvent pas en l'état être utilisées pour la diagnose sexuelle. L'étude de la microarchitecture trabéculaire osseuse des sujets pathologiques atteste d’un développement anormal de l’os et donc du statut pathologique de l’individu observé. / Medical imaging and 3D reconstructions are used increasingly by anthropologists; they allow both investigating and preserving internal structures. Study of trabecular bone microarchitecture allows understanding variability of human skeleton at a smaller scale. This variability is observed and characterized in terms of normal growth and maturation according to age and sex, and for several pathological conditions. μCT scans of proximal metaphysis of humerus from 43 immature individuals (coming from 3 identified skeletons collections and representing all periods of age development) and 8 paleopathological cases (corresponding to 5 different etiologies) have been analyzed to quantify bone microarchitecture. Our results show that this microarchitecture varies during and between different phases of growth. Correlations with age are highlighted, even if they do not sufficiently explain the observed variability in order to represent specific age estimators; it nevertheless appears that the variations observed between the different volumes of interest could characterize different periods of growth. The measured variables showed significant sex differences only during the adolescence period, but they cannot be used, in the present state, for sex determination. The study of the trabecular bone microarchitecture of pathological individuals attests of the abnormal development of bone and therefore of their pathological status.

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Un os long est composé de tissus osseux cortical et spongieux. Ces tissus ont des structures et des caractéristiques physiques différentes mais ont tous deux la capacité de se régénérer de façon naturelle suite à une lésion. Cette régénération ou réparation implique une séquence bien caractérisée d’événements contrôlés par l’interaction étroite entre des facteurs de croissance, des cellules, l’environnement chimique et dynamique, ainsi que par la matrice extracellulaire. L’ostéopontine (OPN) et la sialoprotéine osseuse (BSP) sont des protéines de la matrice extracellulaire exerçant des fonctions importantes dans le tissu osseux. Le but de ce travail a été d’étudier le rôle de l’OPN et de la BSP dans la réparation osseuse par génétique expérimentale. Les modèles utilisés dans cette études consistent en des lésions, l’un diaphysaire et purement cortical, l’autre région épi-métaphysaire mêlant destruction de l’os cortical, trabéculaire et de la plaque de croissance. La réparation de ces lésions a été analysée par microtomographie haute résolution aux rayons X et par histomorphométrie. Dans un premier temps, la réparation d’une perforation épi-métaphysaire dans le fémur chez la souris, a été caractérisée et comparée à celle de même diamètre réalisée dans la diaphyse. Dans cette étude comparative, des profils distincts de réparation ont été mis en évidence bien que tous deux mettent en place un mécanisme d’ossification intramembranaire. Ainsi, le défect cortical diaphysaire est comblé par une formation osseuse centripète restreinte à la zone corticale. Dans le modèle épi-métaphysaire, la formation osseuse est initiée au fond du défect et se propager vers le cortex. Ce processus aboutit à une restauration des travées mais à une réparation incompléte du cortex. Ainsi, le premier modèle apparaît comme pertinent pour l’étude de la réparation corticale alors que le modèle épi-métaphysaire se présente plus adapté à l’étude de la réparation de l’os trabéculaire. L’OPN et la BSP n’ont pas de fonctions redondantes dans la réparation de ces lésions. En effet, l’OPN intervient principalement dans la réparation de l’os trabéculaire, son absence entraîne un retard lié à un défaut de progression de l’os au sein de la cavité. L’absence de BSP quant à elle, semble intervenir uniquement dans le processus de réparation de l’os cortical diaphysaire, provoquant un retard de réparation dû à un défaut de minéralisation de l’ostéoïde. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont permis de caractériser des modèles de lésions osseuses pertinents pour l’étude de la réparation de l’os cortical et spongieux. L’utilisation de ces modèles a permis d’améliorer la compréhension du rôle de deux protéines de la matrice extracellulaire osseuse dans la réparation de cortical et trabéculaire grâce aux modèles de génétique expérimentale. / Long bones consist of cortical and spongious bone tissue, which have different structures and physiological characteristics. Both can heal spontaneously. Bone healing is a complex multi-step process which depends on cells, soluble factors, mechanical environment and bone matrix. Osteopontin (OPN) and Bone Sialoportein (BSP) are extracellular matrix proteins, which have been shown to exert important functions in bone. The aim of this study is to address the role of OPN and BSP in bone repair using experimental genetic strategies. Injured bone models are drilled-hole defects performed in diaphyseal cortical bone or in the epi-metaphyseal region. Bone healing was analyzed by micro-tomography and histomorphometry. Epi-metaphyseal defect healing was characterized and compared to cortical bone repair. In this comparative study, distinct patterns of bone repair have been shown while in both models repair occurs through intramembranous ossification. Diaphyseal defect was rapidly filled with newly bone formed in a centripetal manner within the cortical gap. In contrast, bone formation within the epi-metaphyseal defect was initiated from the depth of the cavity and spread towards the cortical edges, regenerating cancellous bone and albeit not completely cortical wall. Therefore, diaphyseal drill defects appear pertinent for the study of spontaneous cortical healing whereas epi-metaphyseal drill defects appear as appropriate models to investigate spongy bone regeneration. OPN and BSP do not show redundancy in the bone repair process of these two models. Indeed, OPN is mainly involved in trabecular bone repair; its deficiency induced a delay due to impaired bone progression within the epi-metaphyseal cavity. The lack of BSP only delayed cortical bone repair due to an impaired mineralization of the bone matrix. This study permits to characterize pertinent models of cortical and trabecular bone repair. Application of these models added new insights on the involvement of matrix proteins in cortical defect healing and trabecular bone repair using experimental genetic models.

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l’os trabéculaire et d’améliorer la prédiction du risque de fracture, l’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique « bio-fidèle » prenant en compte l’hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l’échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l’os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l’os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l’os humain. La création d’un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l’os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l’hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d’image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l’hétérogénéité minérale. La création et l’analyse d’un modèle numérique par éléments finis de l’os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l’importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l’hétérogénéité minérale sur l’évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses. / Finite element modeling has become more and more suitable to estimate the mechanical properties of trabecular bone. Such models tend to be used to evaluate bone fracture risk. The main goal of this study was to create a bio-faithful model of trabecular bone to evaluate elastic stresses fields in trabeculae. In a first part, a nanoindentation study lead to a dissociation of elastic and plastic behavior of bone tissue, depending of its composition (mineral/collagen). At osteon level, bone elastic behavior mainly depends on mineral quantity whereas its plastic behavior mainly depends on collagen maturity. The relation between degree of mineralization of bone (DMB) and elastic modulus have been determined for human bone. The purpose of second part of the study was to evaluate DMB heterogeneity inside a 3D model of trabecular bone. Using 2D/3D registration, we compare the results obtain with high resolution microtomography to those from quantitative microradiography, the goldstandard method used to measure DMB. We prove that it was possible to obtain a good evaluation of mineral heterogeneity in trabecular bone by tomography. The last part of this study, is dedicated to the creation of a finite element model of trabecular bone. After analyzing the influence of finite element modeling parameter on the assessment of mechanical response (size and element formulation), we showed that the integration of mineral heterogeneity at the tissue level lead to strong modifications of stress fields in bone trabeculae. The results of this study prove that bone mineral heterogeneity is an important parameter and should be taken into account when evaluating trabecular bone mechanical properties.

Cette thèse porte sur le développement d’une nouvelle technique de modélisation des problèmes IFS utilisant les méthodes particulaires. Ce travail s’inscrit dans la continuité des travaux de recherche de l’équipe biomécanique du LAMIH, concernant la compréhension du comportement de l’os humain dans son environnement de moelle osseuse. La méthode SPH a été utilisée pour la modélisation des travées osseuses, supposées dans une première approche comme des solides élastiques. La méthode LB a été développée pour la modélisation des écoulements de moelle considérée comme un fluide visqueux incompressible. L’efficacité et la performance de ces deux méthodes ont été démontrées grâce aux benchmarks académiques évalués et les résultats comparés à ceux de la littérature ou ceux obtenus par des logiciels commerciaux. A l’issue d’une revue de l’état de l’art des techniques de couplage fluide-structure, une approche partitionnée en temps a été choisie, permettant d’utiliser deux codes distincts basés sur des algorithmes de résolution de type dynamique explicite. La discrétisation spatiale est faite par une technique spécifique basée sur les domaines fictifs, cette technique est très efficace car elle ne nécessite pas de rediscrétisation des domaines. L’approche de couplage développée a été appliquée à des benchmarks académiques ainsi qu’à une application en biomécanique, ayant permis d’aboutir à des résultats numériques satisfaisants. Plusieurs pistes d’amélioration sont maintenant nécessaires afin d’aller vers des modélisations plus biofidèles telles que la prise en compte du contact et de l’endommagement. / The objective of this thesis is the development of a new technique for the FSI problems modelling using particulars methods. This work is in the continuity of the LAMIH biomechanics team research works, regarding the comprehension of behavior of bone in its environment of marrow. The SPH method was used for the trabeculae modelling, supposed in a first attempt as an elastic solid. The LB method was developed for the marrow flow modelling considered as a viscous incompressible liquid. The efficacy and performance of these two methods were demonstrated using academics benchmarks which were evaluated and the results were compared of those of literature and of those obtained from commercials softwares. Following a bibliographic review of FSI coupling techniques, a partitioned approach in time was chosen, allowing the use of two separates codes, both based on a dynamic explicit algorithm resolution scheme. The special discretization was done based on a specific technique of fictional domain, this technique is very efficient because it doesn’t require an additional domain discretization. The coupling approach developed was applied on academic benchmarks and on a biomechanical application, leading to satisfactory numerical results. Many Improvement track are now necessary to go towards more biofidelic modeling as taking into account the contact and the damage.

Cette thèse étudie les propriétés de l'opérateur de propagation des ondes ultrasonores en milieu aléatoire. Le dispositif expérimental consiste en un réseau multi-éléments placé en vis-à-vis d'un milieu désordonné. L'opérateur de propagation est donné par la matrice des réponses inter-éléments mesurées entre chaque couple de transducteurs. En s'appuyant sur la théorie des matrices aléatoires, le comportement statistique de cet opérateur a été étudié en régime de diffusion simple et multiple. Une cohérence déterministe des signaux est ainsi mise en évidence en régime de diffusion simple, cohérence qui disparaît dès que la diffusion multiple prédomine. Cette différence de comportement a permis la mise au point d'un radar intelligent séparant les échos simplement et multiplement diffusés. On peut ainsi extraire l'écho direct d'une cible échogène enfouie dans un milieu hautement diffusant, bien que ce dernier soit source de diffusion multiple et d'aberration. Une deuxième approche consiste, au contraire, à extraire une contribution de diffusion multiple noyée dans une contribution de diffusion simple largement prédominante. L'étude de l'intensité multiplement diffusée permet de mesurer des paramètres de transport (p.ex. la constante de diffusion D) caractérisant la propagation de l'onde multiplement diffusée. Un passage en champ lointain (ondes planes) permet d'obtenir une mesure fiable de D en étudiant le cône de rétrodiffusion cohérente. Un passage en champ proche, via l'utilisation de faisceaux gaussiens, permet d'effectuer des mesures locales de D en étudiant la croissance du halo diffusif. Cette approche a été appliquée au cas de l'os trabéculaire humain autour de 3 MHz.

Cette thèse étudie les propriétés de l'opérateur de propagation des ondes ultrasonores en milieu aléatoire. Le dispositif expérimental consiste en un réseau multi-éléments placé en vis-à-vis d'un milieu désordonné. L'opérateur de propagation est donné par la matrice des réponses inter-éléments mesurées entre chaque couple de transducteurs. En s'appuyant sur la théorie des matrices aléatoires, le comportement statistique de cet opérateur a été étudié en régime de diffusion simple et multiple. Une cohérence déterministe des signaux est ainsi mise en évidence en régime de diffusion simple, cohérence qui disparaît dès que la diffusion multiple prédomine. Cette différence de comportement a permis la mise au point d'un radar intelligent séparant les échos simplement et multiplement diffusés. On peut ainsi extraire l'écho direct d'une cible échogène enfouie dans un milieu hautement diffusant, bien que ce dernier soit source de diffusion multiple et d'aberration. Une deuxième approche consiste, au contraire, à extraire une contribution de diffusion multiple noyée dans une contribution de diffusion simple largement prédominante. L'étude de l'intensité multiplement diffusée permet de mesurer des paramètres de transport (p.ex. la constante de diffusion D) caractérisant la propagation de l'onde multiplement diffusée. Un passage en champ lointain (ondes planes) permet d'obtenir une mesure fiable de D en étudiant le cône de rétrodiffusion cohérente. Un passage en champ proche, via l'utilisation de faisceaux gaussiens, permet d'effectuer des mesures locales de D en étudiant la croissance du halo diffusif. Cette approche a été appliquée au cas de l'os trabéculaire humain autour de 3 MHz

Le système ostéocytaire soulève un intérêt croissant depuis quelques années car il est joue un rôle important dans l'adaptation de l'os. Le système ostéocytaire est inclus dans un réseau poreux dénommé le réseau lacuno-canaliculaire (LCN). L’observation du système ostéocytaire est difficile car les ostéocytes sont profondément enfouies dans la matrice osseuse et difficilement accessible par les techniques optiques. Récemment l’équipe de Creatis a montré la faisabilité d’imager le LCN en 3D grâce à la micro tomographie par rayonnement synchrotron. Toutefois, il n’existe actuellement pas de méthodes d’analyse permettant de quantifier, de façon automatique, le réseau lacuno-canaliculaire en 3D. L’objectif de cette thèse était de développer des méthodes d’analyse d’images permettant d’extraire des paramètres quantitatifs sur le réseau lacuno-canaliculaire. La première partie, consacrée à l’état de l’art. Le chapitre 1 présente les objectifs de ce travail. Le chapitre 2 rappelle les éléments de base sur le tissu osseux et présente les caractéristiques du réseau lacuno-canaliculaire. Le chapitre 3 présente les différentes méthodes d’imagerie utilisées jusqu’à présent pour étudier le réseau lacuno-canaliculaire. Le chapitre 4 présente l’état de l’art sur les paramètres qui sont classiquement utilisés pour caractériser le réseau lacuno-canaliculaire. La seconde partie est consacrée aux contributions de ce travail. Le chapitre 5 présente les deux systèmes expérimentaux de l’ESRF sur lesquels des images d’échantillons osseux ont été acquises. Le chapitre 6 décrit la méthode développée pour la quantification des lacunes ostéocytaires à partir d’images à l’échelle micrométrique. Elle propose de calculer des paramètres issus des moments géométriques ainsi que des paramètres basés sur la notion de volumes intrinsèques. Les méthodes sont appliquées à une série de 13 échantillons acquis en collaboration avec le Laboratoire d’Imagerie Paramétrique, Paris. Les résultats obtenus sont comparés et discutés par rapport à ceux de la littérature. Le chapitre 7 décrit la quantification des canalicules reliant les ostéocytes à partir d’images à l’échelle sous-micrométrique. En particulier, nous nous sommes intéressées à estimer le nombre de canalicules issues d’une lacune ostéocytaire, paramètre encore jamais mesuré en 3D. L’évolution de ce paramètre en fonction de la distance au centre de la lacune a permis de mettre en évidence et de quantifier la ramification des canalicules. Le chapitre 8 propose l’application des méthodes développées à une série d’échantillons acquis en collaboration le groupe de Sharmila Majumdar à l’université de San Francisco. Dans ce chapitre, nous avons travaillé sur une nouvelle méthode de segmentation du réseau lacuno-canaliculaire basée sur une méthode de chemins géodésiques. Les premiers résultats acquis sur 8 échantillons humains d’âges différents sont présentés. Finalement, le chapitre 9 conclut ce travail et présente des perspectives. / The osteocyte system has raised increasing interest in the recent years, since it is hypothesized to play an important role in orchestrating bone adaptation through mechanosensation and bone mechanotransduction mechanism. The osteocytes are deeply buried within the bone matrix, where their bodies are encysted in cavities called lacunae and their stellular processes are enclosed in tunnels called canaliculi. Together, they formed the lacuno-canalicular network (LCN). The geometry of the LCN is of importance since it is supposed to potentially affect and reflect the viability of the osteocyte and is supposed to be related to biomechanical constraints at the cell level. However, studying the LCN is quite challenging, due to limitations in an ideal imaging modality and the lack of quantitative analysis tools. In this thesis, we propose computational efficient and automated methods to quantify the 3D morphological properties of the LCN from synchrotron radiation (SR) micro / nano-CT images. For image acquisition, we used the SR micro/nano-CT setups installed on beamlines ID19 and ID22 at ESRF. A series of human cortical samples were imaged with spatial resolutions ranging between 3.5 µm to 60 nm. For the 3D assessment of lacunae, we used an image moment-based approach to calculate the volume, length, width, height and anisotropy of each osteocyte lacuna. We employed a fast algorithm to further calculate the surface area, the Euler number and the SMI of each lacuna. Validation of segmentation and experimental results on 13 bone samples are presented. For the 3D assessment of canaliculi, we propose a method to quantify the canalicular ramification around each lacuna. After segmentation, our method first labels each lacuna from the LCN. Then, a signature of the numbers of canaliculi at different distances from the lacunar surface is estimated through the calculation of topological parameters. Validation of this method and statistical results a large 3D SR micro-CT image of a human femoral bone sample are reported. We also improved the segmentation of the canaliculi and illustrated the feasibility of the application on a series of bone samples. We investigated a segmentation approach based on minimum cost paths and geodesic voting. A parallel computation scheme was implemented to reduce the computation times. The LCN was characterized by using the previous methods. Besides, we introduced the parameters from the Voronoi tessellation. Statistical results are reported on 8 large 3D micro-CT images, including around a hundred lacunae and the canaliculi. Future works will concern the improvement of canaliculi segmentation of from images at 300 nm as well as its evaluation and further characterization of LCN from SR CT images at both 300 nm and 50 nm. This work opens many perspectives for a better knowledge of the physiopathology of bone at the cellular scale.