L’objectif de ce travail était d’étudier certains aspects de la géométrie ou macroarchitecture afin de mieux comprendre la contribution de la géométrie sur le risque de fracture. Pour les os tubulaires, l’apposition périostée tente de compenser la perte osseuse après la ménopause et il existe peu d’études pour les vertèbres. Dans une étude prospective, les dimensions des corps vertébraux augmentent significativement à 3 ans chez les femmes ménopausées ostéoporotiques et que cette augmentation est fortement associée à la taille initiale des os suggérant que les os plus grands ont besoin d’une expansion périostée plus importante pour maintenir la résistance osseuse. Des études antérieures ont suggéré qu’il fallait évaluer la géométrie du rachis dans sa globalité en étudiant le rôle des courbures rachidiennes. Dans une deuxième étude prospective de 3 ans chez des femmes ménopausées ostéoporotiques, la cyphose thoracique est un facteur de risque de fractures vertébrales même après ajustement sur la présence de fractures vertébrales prévalentes. Une troisième étude prospective qui a cherché à identifier les paramètres géométriques associés au risque de fracture de hanche chez les femmes ménopausées ostéoporotiques non traitées montre que l’épaisseur corticale fémorale mesurée par l’outil HSA (Hip Structural Analysis) améliore la prédiction du risque de fracture de hanche indépendamment de la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). L’outil géométrique que nous avons développé pour s’affranchir de l’influence de la DMO montre que l’augmentation de la distance intertrochantérienne est associée à une augmentation du risque de fracture indépendamment de la DMO. En revanche l’outil actuel est peu reproductible pour la mesure de la corticale fémorale. / The aim of the study was to study certain aspects of bone geometry or macroarchitecture to understand better the contribution of bone geometry on the risk of fracture. For tubular bones, periosteal apposition can occur to compensate bone loss after the menopause and there is no data concerning the prospective changes in vertebral body dimensions. In a prospective study of women with postmenopausal osteoporosis, vertebral body dimensions increase over 3 years in women and the bigger bones need more periosteal expansion to maintain bone strength. Previous studies showed that whole spine geometry and especially the spinal curvatures need be evaluated to understand the role of vertebral geometry on the risk of fracture. In a second prospective study in postmenopausal osteoporotic women, thoracic kyphosis is a risk factor for vertebral fractures over 3 years, even after adjusting on presence of prevalent fractures. A third prospective study aimed at identifying the geometric parameters associated with an increase risk of hip fracture in postmenopausal osteoporotic women untreated. Femoral cortical thickness measured by HSA tool (Hip Structural Analysis) is associated with an increase risk of hip fracture, independently of bone mineral density (BMD). The geometrical tool which we developed to eliminate the influence of the BMD shows that increase in the intertrochanteric distance is associated with an increase risk of hip fracture.

Les mesures ultrasonores en transmission transverse permettent d'évaluer un site osseux. Notre objectif est de mettre en évidence et d'exploiter les ondes qui se propagent circonférentiellement dans la coque corticale du col fémoral pour caractériser la résistance de la hanche à la fracture. Des simulations numériques de la propagation d'ondes dans des sections transverses de col du fémur ont été réalisées pour étudier les phénomènes mis en jeu. Nous avons montré que le premier signal (« first arriving signal », FAS) en transmission transverse est toujours associé aux ondes circonférentielles. Une forte corrélation entre le temps de vol du FAS (TOFFAS) et des paramètres géométriques liés à la résistance osseuse (R² = 0.87 pour le moment d'inertie minimum) a été observée. Les ondes circonférentielles se sont révélées être sensibles à la porosité et à l'élasticité de la coque corticale. Un montage ultrasonore expérimental a été conçu afin d'étudier la relation entre TOFFAS et la résistance à la fracture obtenue par test mécanique. Une première série de mesures sur neuf échantillons a montré que TOFFAS peut prédire la résistance mécanique de l'extrémité supérieure du fémur (R² = 0.79) au moins aussi bien que la technique de référence (R² = 0.78) utilisant les rayons-X. Ce montage expérimental peut être optimisé et combiné au scanner ultrasonore du col du fémur existant pour augmenter le niveau de prédiction du risque de fracture. Nous proposons comme perspective l'utilisation de la méthode DORT pour déterminer les vitesses de phase des ondes circonférentielles dans le col du fémur à partir desquelles la géométrie et les propriétés matérielles de l'os pourraient être déduites.

L'objectif de ce travail était d'étudier certains aspects de la géométrie ou macroarchitecture afin de mieux comprendre la contribution de la géométrie sur le risque de fracture. Pour les os tubulaires, l'apposition périostée tente de compenser la perte osseuse après la ménopause et il existe peu d'études pour les vertèbres. Dans une étude prospective, les dimensions des corps vertébraux augmentent significativement à 3 ans chez les femmes ménopausées ostéoporotiques et que cette augmentation est fortement associée à la taille initiale des os suggérant que les os plus grands ont besoin d'une expansion périostée plus importante pour maintenir la résistance osseuse. Des études antérieures ont suggéré qu'il fallait évaluer la géométrie du rachis dans sa globalité en étudiant le rôle des courbures rachidiennes. Dans une deuxième étude prospective de 3 ans chez des femmes ménopausées ostéoporotiques, la cyphose thoracique est un facteur de risque de fractures vertébrales même après ajustement sur la présence de fractures vertébrales prévalentes. Une troisième étude prospective qui a cherché à identifier les paramètres géométriques associés au risque de fracture de hanche chez les femmes ménopausées ostéoporotiques non traitées montre que l'épaisseur corticale fémorale mesurée par l'outil HSA (Hip Structural Analysis) améliore la prédiction du risque de fracture de hanche indépendamment de la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). L'outil géométrique que nous avons développé pour s'affranchir de l'influence de la DMO montre que l'augmentation de la distance intertrochantérienne est associée à une augmentation du risque de fracture indépendamment de la DMO. En revanche l'outil actuel est peu reproductible pour la mesure de la corticale fémorale.

Des micro-fissures sont générées dans le tissu osseux et résorbées par le remodelage<br />osseux. Une densité de fissures importante pourrait détériorer la résistance mécanique<br />osseuse (RMO). Cependant les causes et les conséquences sur la RMO d'une accumulation<br />du micro-endommagement osseux sont mal connues. De plus, aucune méthode non invasive<br />de quantification du niveau d'endommagement osseux existe aujourd'hui.<br />Dans ce contexte, une méthode de mesure acoustique, localisée et sans contact, basée<br />sur l'interaction non linéaire (NL) entre une onde acoustique basse-fréquence (BF) et des<br />impulsions ultrasonores (US) a été développée. Les impulsions US sont émises à une cadence<br />de tir environ 10 fois supérieure à la fréquence de l'onde BF. Le milieu est alors sondé à<br />différents états de contrainte tri-axiale, en compression et traction. Les variations du temps<br />de vol et de l'amplitude (ou de l'énergie) US rendent compte des effets NL acoustiques<br />respectivement élastiques et dissipatifs. Les effets NL acoustiques élastiques et dissipatifs<br />augmente généralement avec le niveau d'endommagement.<br />Après une validation dans l'eau et des solides non endommagés, des mesures dans des<br />matériaux fissurés et granulaires ont montré la sensibilité de la technique à la présence de<br />fissures et de contacts entre grains. Enfin son application à l'os trabéculaire du calcanéum a<br />montré que la zone de faible porosité pouvait produire de fortes non-linéarités acoustiques.<br />Pour des échantillons endommagés in vitro par fatigue en compression et par compression<br />quasi-statique, l'amplitude des non-linéarités acoustiques a montré une bonne corrélation<br />avec l'observation histologique du niveau d'endommagement.

Les fractures de fragilité représentent un problème de santé publique pour les personnes âgées. L'évaluation de la résistance osseuse et du risque de fracture par la méthode de référence (absorption bi-photonique à rayons X, DXA) est limitée. Les micro-modèles en éléments finis (µFEM) ont montré de meilleures prédictions de la résistance osseuse, mais on ne peut confirmer qu’ils améliorent l’estimation du risque de fracture par rapport à la DXA. L'objectif de cette thèse était donc d'évaluer si la prédiction par simulation numérique pouvait être améliorée en prenant en compte des conditions réalistes de chargement. Tout d’abord, les conditions de chargement correspondant à une chute vers l’avant ont été reproduites sur 32 radius humain dans une expérimentation ex-vivo. Les résultats expérimentaux ont conduits à deux groupes : un fracturé et un non fracturé. Puis, la capacité de prédiction d’un modèle « ségment » (9 mm de radius distal) créé en utilisant un scanner à très haute résolution (High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography) a été évaluée. . Différentes configurations (axiale (configuration standard) et 5 non-axiales) ont été simulées. L’implémentation de chargement non-axial n’a pas amélioré la capacité de prédiction du modèle « segment ». Finalement, un modèle hétérogène du radius distal entier a été créé à partir d’un scanner clinique (Cone Beam Computed Tomography). Ce modèle a pris en compte les conditions d’une chute en termes d’orientation et de vitesse. Le modèle de radius distal entier a montré une meilleure prédiction de la charge à la rupture expérimentale que le modèle « segment ». Cette étude propose des données originales pour la validation de modèles numériques pour l’amélioration de la prédiction du risque de fracture / Fragility fractures represent a public health problem for elderly. The assessment of the bone strength and of the risk of fracture by the gold standard method (Dual X-ray Absorptiometry - DXA) is limited. Micro-finite element models (µFEM) have shown to better predict the bone strength, but it is not possible to confirm that they do better than the density measured by DXA to estimate the risk of fracture. Thus, the aim of this thesis was to evaluate whether including realistic loading conditions could improve the level of prediction of the FEM. First, we reproduced the loading conditions of a forward fall on 32 radii in an ex-vivo experiment. This experiment leaded to two groups: one fractured and one non - fractured. Then, we evaluated the prediction capability of a segment FEM (9 mm of the distal radius) created using the High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography. This segment FEM was tested under the axial loading (standard analysis), and under five additional non-axial configurations. It was found that the prediction capability of the segment FEM was not improved by the implementation of non-axial loadings. Finally, a heterogeneous FEM of the whole distal radius was created using data from a Cone Beam Computed Tomography. This model considers the fall loading configurations in orientation and speed of the ex-vivo experiment. The FEM of the whole distal radius has a better accuracy to predict the experimental failure load than the segment FEM. This study proposes original data for model validation dedicated to further improvements of fracture risk prediction

La consommation d’alcool a des effets sur le tissu osseux. L’alcoolisme est une des causes d’ostéoporose secondaire chez l’homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d’étudier les effets d’une consommation chronique d’alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu’une faible dose d’alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l’épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d’alcool n’a pas d’effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l’alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s’accompagne d’un changement de composition corporelle et d’une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d’adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d’ostéoporose secondaire due à l’alcool une augmentation de l’apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l’augmentation de l’adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l’apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu’un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d’alcool permet de prévenir les effets délétères de l’alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l’apoptose des ostéocytes. / Heavy chronic alcohol consumption has deleterious effects on bone tissue. It is one of the major causes of secondary osteoporosis in men. In this work, we draw several experimentations to assess the effects of chronic alcohol consumption on bone, combined or not to an aerobic training in the rat. We showed that light to moderate chronic alcohol consumption during a short time lead to an increase of bone mineral density (BMD) and trabecular thickness, whith no additive effects of physical exercise on bone tissue. When the alcohol doses were increased, we showed deleterious effects on BMD, microarchitecture, bone resistance with a dose effect with increasing alcohol doses (25%, 30% and 35% v/v): the more alcohol was concentrated and the more the bone parameters were decreased. The BMD decrease was associated with a change in body composition, and with a decrease in serum leptin. However, the number of lipid droplets in the bone marrow was increased dramatically. We demonstrated that there was a huge increase in osteocyte apoptosis with alcohol (35% v/v) in this alcohol-induced osteoporosis model, which was correlated with BMD and bone marrow adiposity. We have also shown that there was lipid incorporation in bone micro vessels and in osteocytes, which was correlated with osteocyte apoptosis. Lastly, we showed that when regular exercise was associated with heavy chronic alcohol consumption, the bone parameters were normal (trabecular, cortical thickness, femur length) and the BMD was less decreased compared to alcohol-fed and sedentary rats. These effects were associated with a regulation of osteocyte apoptosis.

La consommation d'alcool a des effets sur le tissu osseux. L'alcoolisme est une des causes d'ostéoporose secondaire chez l'homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d'étudier les effets d'une consommation chronique d'alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu'une faible dose d'alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l'épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d'alcool n'a pas d'effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l'alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s'accompagne d'un changement de composition corporelle et d'une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d'adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d'ostéoporose secondaire due à l'alcool une augmentation de l'apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l'augmentation de l'adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l'apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu'un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d'alcool permet de prévenir les effets délétères de l'alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l'apoptose des ostéocytes.