Avec le vieillissement de la population, l'ostéoporose et notamment les fractures vertébrales sont devenues un problème de santé publique majeur. Souvent silencieuses, les premières fractures sont difficiles à diagnostiquer par radiographie, et les 40 000 à 70 000 fractures annuelles recensées en France ne représenteraient finalement qu'un tiers du nombre réel. La prise en charge thérapeutique et la gestion de la dépendance, représentent un poids économique important qui doit être réduit, sans pour autant proposer un traitement préventif systématique, lui aussi coûteux. La mesure de densité minérale osseuse par DXA fait référence en clinique mais n'explique que partiellement la résistance des vertèbres. Aussi, des approches basées sur des modèles en éléments finis construits à partir d'imagerie scanner ont été proposées. Elles ne sont malheureusement pas transposables en clinique pour le suivi de patients sur l'ensemble de la colonne vertébrale, du fait de la dose d'irradiation trop importante. Cette recherche avait donc pour objectif de mettre en place une approche se basant sur une modalité basse dose. Afin d'établir un modèle en éléments finis personnalisé, il est nécessaire d'avoir une géométrie et des propriétés mécaniques personnalisées. Le système EOS (imagerie par rayon X basse dose) permet de proposer une géométrie personnalisée pour un patient donné. Le défi scientifique de cette thèse portait principalement sur l'évaluation des propriétés mécaniques personnalisées à partir de cette imagerie basse dose. Une première étude expérimentale, menée sur 19 éprouvettes, a permis de prédire les propriétés mécaniques de l'os spongieux vertébral (en compression) à partir de la densité minérale osseuse mesurée par le système basse dose EOS®. Parallèlement, pour palier au manque de données mécaniques sur l'os cortical vertébral, une deuxième étude a été réalisée afin d'évaluer les propriétés mécaniques d'un ensemble cortico-spongieux en compression par simulation numérique et méthode inverse à partir de données d'essais mécaniques. Il s'agit là d'une première pour l'étude des propriétés macroscopiques de l'os cortical vertébral. De plus, des essais mécaniques de compression menés sur 15 vertèbres ont permis de constituer une première base de données pour la validation du modèle. A partir de l'ensemble de ces données, un modèle en éléments finis 3D personnalisé à partir d'imagerie basse dose a été construit. Ce modèle donne une estimation prometteuse de l'effort à la rupture des vertèbres (FMEF = 0,94 Fexp +242,6 ; r² = 0,83, IC95% = ± 674 N) avec un temps de calcul restreint (environ 10 minutes). Ce travail souligne l'intérêt des systèmes d'imagerie basse dose pour la construction d'un modèle en éléments finis personnalisé et ouvre de nombreuses perspectives pour l'utilisation clinique de tels outils, afin de prédire le risque de fracture vertébral.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation ultrasonore de la qualité osseuse de l'os cortical in vitro.<br />La première partie compare plusieurs techniques d'évaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale. Les propriétés ultrasonores mesurées à différentes fréquences au radius in vitro sont comparées à celles mesurées par tomographie quantitative (pQCT) ainsi qu'aux propriétés mécaniques des échantillons. Il en ressort que si les paramètres ultrasonores sont indiscutablement capables de prédire les propriétés mécaniques, leur apport sur les paramètres pQCT (actuellement mesurés en clinique) n'est envisageable que dans le cas d'une approche multi-fréquences et multi-paramètres.<br />La seconde partie porte sur l'étude du micro endommagement, impliqué dans la fragilisation de l'os. Nous avons fait appel à des paramètres ultrasonores nonlinéaires, qui ont fait leurs preuves dans d'autre domaines pour la mesure de l'endommagement des matériaux. Nous avons montré, en utilisant la technique de Spectroscopie Nonlinéaire Ultrasonore en Résonance, la sensibilité du paramètre ultrasonore nonlinéaire a l'endommagement progressivement accumulé dans l'os in vitro. Une relation exponentielle entre le paramètre ultrasonore nonlinéaire et l'âge des donneurs a été mise en évidence. Ceci a permis de montrer le potentiel de l'acoustique non linéaire pour la détection du micro endommagement osseux, même si des efforts doivent encore être fournis pour l'application in vivo de la méthode.<br />De façon plus générale, il ressort de ces travaux que le potentiel des ultrasons pour l'évaluation de la qualité osseuse réside probablement dans une approche multi-fréquences, multi-paramètres.

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