<p>The risk of fracture is higher in adults with type 2 diabetes compared to controls without type 2 diabetes, despite normal or higher than normal bone mineral density (BMD). In addition to BMD, bone strength depends on other factors such as structural and material <em>bone qualities</em>, which are not accounted for in BMD measurements. The objective was to determine whether structural and material <em>bone qualities</em> are different in adults with type 2 diabetes compared to controls without type 2 diabetes. First, a cross-sectional study was undertaken using MRI to investigate distal radius trabecular bone microarchitecture, a structural <em>bone quality.</em> In women with type 2 diabetes, trabecular bone holes were larger compared to controls, which is important because greater trabecular bone hole size is related to reduced bone strength. Next, a two year prospective study was conducted with the participants involved in the cross-sectional study to determine whether changes in trabecular bone microarchitecture are different in women with type 2 diabetes compared to controls. There was a greater increase in the number of trabecular bone holes in women with type 2 diabetes compared to controls, which provides early evidence of trabecularization of cortical bone in women with type 2 diabetes. In the third study, quantitative backscattered electron imaging (qBEI) was used to derive bone mineralization density distribution (BMDD) outcomes for bone samples from adults with and without type 2 diabetes to compare material <em>bone quality. </em>There was evidence of elevated bone calcium concentration and reduced mineralization heterogeneity in bone samples from adults with type 2 diabetes compared to controls, which may contribute to bone brittleness. In summary, differences in structural and material <em>bone qualities </em>identified in this body of work provide explanations for elevated fracture risk in adults with type 2 diabetes.</p> / Doctor of Science (PhD)

This work deals with issue of human wrist and appropriate total wrist implant allowing a restoration of hand mobility approaching physiological condition after traumatic and degenerative diseases. Treating these diseases are very complex. These issues including a biological and medical issues. To determine the appropriate treatment method and select right total wrist implant is important to know the behavior the human wrist at all stages in terms of medical and biomechanical. For this reason, it was developed a biomechanical study including computation model of human wrist allowing solution of strain and stress of hand in physiological and pathological conditions and condition after total wrist implant. The frost remodeling of bone tissue was used for analysis of human wrist bone tissues and bone tissues after application of total wrist implant RE-MOTION™ Total Wrist.

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.

This work deals with issue of human wrist and appropriate total wrist implant allowing a restoration of hand mobility approaching physiological condition after traumatic and degenerative diseases. Treating these diseases are very complex. These issues including a biological and medical issues. To determine the appropriate treatment method and select right total wrist implant is important to know the behavior the human wrist at all stages in terms of medical and biomechanical. For this reason, it was developed a biomechanical study including computation model of human wrist allowing solution of strain and stress of hand in physiological and pathological conditions and condition after total wrist implant. The frost remodeling of bone tissue was used for analysis of human wrist bone tissues and bone tissues after application of total wrist implant RE-MOTION™ Total Wrist.

[ES] El acceso a una atención sanitaria de alta calidad es un marcador importante del desarrollo de las sociedades humanas. Los aportes tecnológicos a la medicina han mostrado un potencial relevante para descubrir procedimientos efectivos a nivel preventivo, diagnóstico y terapéutico. En particular, los métodos computacionales permiten el procesamiento eficaz de datos médicos y, por tanto, pueden modelar sistemas biológicos complejos. Esto ha influido en el desarrollo de la Medicina Personalizada (MP) durante las últimas décadas, donde la obtención de conocimiento específico de cada caso permite realizar intervenciones a medida, todo ello a un coste de recursos accesible. La simulación de remodelación ósea es un campo prometedor en el contexto de la MP. Predecir un proceso de adaptación ósea en un caso concreto puede dar lugar a numerosas aplicaciones en el campo de las enfermedades óseas, tanto a nivel clínico como experimental. Mediante la combinación del Método de Elementos Finitos (FEM) y los algoritmos de remodelación ósea, es posible obtener modelos numéricos de un hueso específico a partir de datos médicos (por ejemplo, una tomografía computarizada). Todo ello puede dar lugar a una revolución en la medicina personalizada. / [CA] L'accés a una atenció sanitària d'alta qualitat és un marcador important del desenvolupament de les societats humanes. Les aportacions tecnològiques a la medicina han mostrat un potencial rellevant per a descobrir procediments efectius a nivell preventiu, diagnòstic i terapèutic. En particular, els mètodes computacionals permeten el processament eficaç de dades mèdiques i, per tant, poden modelar sistemes biològics complexos. Això ha influït en el desenvolupament de la Medicina Personalitzada (MP) durant les últimes dècades, on l'obtenció de coneixement específic de cada cas permet realitzar intervencions a mesura, tot això a un cost de recursos accessible. La simulació de remodelació òssia és un camp prometedor en el context de la MP. Predir un procés d'adaptació òssia en un cas concret pot donar lloc a nombroses aplicacions en el camp de les malalties òssies, tant a nivell clínic com experimental. Mitjançant la combinació del Mètode d'Elements Finits (*FEM) i els algorismes de remodelació òssia, és possible obtindre models numèrics d'un os específic a partir de dades mèdiques (per exemple, una tomografia computada). Tot això pot donar lloc a una revolució en la medicina personalitzada. / [EN] Access to high-quality healthcare is an important marker of the development of human societies. Technological contributions to medicine have shown relevant potential to discover effective procedures at a preventive, diagnostic and therapeutic level. In particular, computational methods enable efficient processing of medical data and can therefore model complex biological systems. This has influenced the development of Personalized Medicine (PM) over recent decades, where obtaining specific knowledge of each case allows for tailored interventions, all at an affordable resource cost. Simulation of bone remodeling is a promising field in the context of PM. Predicting a bone adaptation process in a specific case can lead to numerous applications in the field of bone diseases, both clinically and experimentally. By combining the Finite Element Method (FEM) and bone remodeling algorithms, it is possible to obtain numerical models of a specific bone from medical data (for example, a CT scan). All of this can lead to a revolution in personalized medicine. / Thanks to the Valencian funding programme FDGENT/2018, for providing economic resources to develop this long-term work. / Gutiérrez Gil, J. (2023). Personalization of Bone Remodelling Simulation Models for Clinical Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202059

[ES] En esta tesis, el principal objetivo es analizar el efecto de la osteoporosis en el comportamiento mecánico del hueso trabecular. El comportamiento del hueso trabecular se ha abordado desde diferentes enfoques: ensayos experimentales, modelos de elementos finitos (EF) e imagen médica obtenida por micro-CT. El impacto de la osteoporosis se ha estudiado en distintas escalas. Se ha abordado un estudio a nivel de tejido lamelar del hueso trabecular para estimar las ecuaciones que nos permitan definir las propiedades elásticas y resistentes en función de la densidad mineral ósea y la porosidad del tejido. Estas ecuaciones inferidas en los modelos de EF permitirán estudiar el comportamiento del tejido óseo lamelar abarcando un amplio rango de porosidades y DMOs. Se ha realizado un estudio de la estructura trabecular y del tejido lamelar utilizando un estereomicroscopio y el FESEM. Al nivel del tejido lamelar, se ha podido observar la disposición de las lamelas en distintas localizaciones, como en las trabéculas y sus intersecciones. Además, se ha podido evaluar la porosidad tisular natural y la producida por enfermedades óseas. Esta información se ha introducido en los modelos EF para definir las propiedades en las muestras. Las ecuaciones elásticas y resistentes estimadas consideran un comportamiento ortótropo y es posible cuantificar cómo afectan la DMO y la porosidad a estas propiedades. Se ha estudiado el comportamiento mecánico a compresión de muestras humanas de hueso trabecular procedente de cabezas femorales. Estas muestras se clasifican en tres grupos: sano, artrósico y osteoporótico. Estas muestras se han estudiado mediante ensayos experimentales, imagen médica y modelos de EF, permitiendo obtener gran información sobre el comportamiento mecánico del hueso. La respuesta mecánica está muy influenciada por la microarquitectura trabecular. Los resultados obtenidos más relevantes son el módulo aparente, la tensión de fallo y la deformación de fallo. Se han podido generar modelos de EF y estudiar la morfometría de las muestras. Los modelos de EF han permitido estimar las propiedades a nivel de tejido: módulo de Young a nivel de tejido y las deformaciones de fluencia y fallo. Los resultados muestran que a nivel de tejido no se aprecian variaciones en el módulo de Young aunque el hueso presente una patología ósea. Un comportamiento de fluencia similar se ha observado para todos los grupos, con diferencias únicamente en la deformación de fallo. El estudio morfométrico permite analizar los parámetros morfométricos que diferencian las muestras sanas de las enfermas. Se han correlacionado dichos parámetros con la respuesta mecánica para analizar los que tienen mayor influencia sobre ella. Las correlaciones permiten estimar la respuesta mecánica del hueso utilizando imagen médica sin realizar ensayos experimentales. Los parámetros obtenidos de la respuesta mecánica también se han relacionado entre sí, permitiendo conocer el comportamiento de cada una de las muestras que es diferente según la enfermedad que padecen. También, se han estudiado muestras bioinspiradas y estructuras TPMS obtenidas mediante fabricación aditiva. Estas muestras se han fabricado con PLA como material de impresión. Las muestras muestran un comportamiento ortótropo como las muestras trabeculares. Los simulantes pueden ser utilizados para hacer estudios previos cuando no se disponga de las muestras óseas. El tratamiento de fracturas óseas de gran tamaño requiere de técnicas no convencionales para la fijación del hueso. Suelen utilizarse andamios óseos con triple periodicidad que tienen como resultado propiedades ortótropas iguales en las tres direcciones ortogonales. Estos sistemas deben disponer de rigideces similares al hueso alrededor del defecto para evitar el aflojamiento del implante. Por ello, se propone una metodología que permite diseñar andamios óseos paciente-específicos que permiten ajustar las propiedades mecánicas ortótropas en función del hueso. / [CA] En esta tesi, el principal objectiu és analitzar l'efecte de l'osteoporosi en el comportament mecànic de l'os trabecular. El comportament de l'os trabecular s'ha abordat des de diferents plantejaments, com són els assajos experimentals, els models d'elements finits (EF) i la imatge mèdica obtinguda per micro-CT. L'impacte de l'osteoporosi s'ha estudiat en diferents escales. En primer lloc, s'ha abordat un estudi a nivell de teixit lamellar de l'os trabecular per a estimar les equacions que ens permeten definir les propietats elàstiques i resistents en funció de la densitat mineral òssia i la porositat del teixit. Estes equacions inferides en els models d'EF permetran estudiar el comportament del teixit ossi lamel·lar abastant un ampli rang de porositats i DMOs. S'ha realitzat un estudi de l'estructura trabecular i del teixit lamel·lar utilitzant un estereomicroscopi i el FESEM. Al nivell del teixit lamel·lar, s'ha pogut observar la disposició de les lamel·les en diferents localitzacions, com en les trabècules i les seues interseccions. A més, s'ha pogut avaluar la porositat tissular natural i la produïda per malalties òssies. Tota esta informació ha sigut incorporada als models numèrics per a poder definir les propietats en les mostres trabeculars. Les equacions elàstiques i resistents estimades consideren un comportament ortòtrop i és possible quantificar com afecten la DMO i la porositat a estes propietats. S'ha estudiat el comportament mecànic a compressió de mostres humanes d'os trabecular procedent de caps femorals i s'han classificat en tres grups: sa, artròsic i osteoporòtic. S'han estudiat mitjançant assajos experimentals, imatge médica i models d'EF, obtenint gran informació sobre el comportament mecànic de l'os. La resposta mecànica està fortament influenciada per la microarquitectura trabecular. Els resultats obtinguts més importants són el mòdul aparent, la tensió de fallada i la deformació de fallada. S'han generat models d'EF i estudiat la morfometria. Els models d'EF han permés estimar les propietats a nivell de teixit: el mòdul de Young a nivell de teixit i les deformacions de fluència i fallada. A nivell de teixit no s'aprecien variacions en el mòdul de Young encara que l'os present una patologia òssia. Un comportament de fluència similar s'ha observat per a tots els grups, amb diferències únicament en la deformació de fallada. L'estudi de la morfometria ha permés analitzar els paràmetres morfomètrics que diferencien les mostres sanes de les malaltes, i fins i tot a diferenciar entre diferents patologies. S'han correlacionat estos paràmetres amb la resposta mecànica per a analitzar aquells que tenen major influència sobre ella. Les correlacions obtingudes permeten estimar la resposta mecànica de l'os trabecular utilitzant les imatges micro-CT sense necessitat de realitzar assajos experimentals. Els paràmetres obtinguts de la resposta mecànica també s'han relacionat entre si. Estes relacions permeten conéixer el comportament de cadascuna de les mostres que és diferent segons la malaltia que patixen. També, s'han estudiat mostres bioinspirades i estructures TPMS obtingudes mitjançant fabricació additiva. Estes mostres bioinspirades s'han fabricat amb PLA com a material d'impressió. Les mostres mostren un comportament ortòtrop com les trabeculars. Estos simulants poden ser utilitzats per a fer estudis previs quan no es dispose de les mostres òssies. El tractament de fractures òssies de gran grandària requerix de tècniques no convencionals per a la fixació de l'os. Solen utilitzar-se bastides òssies amb triple periodicitat que tenen com a resultat propietats ortòtropes iguals en les tres direccions ortogonals. Estos sistemes han de disposar de rigideses similars a l'os en el veïnatge del defecte per a evitar l'afluixament de l'implant. S'ha proposat una metodologia que permet dissenyar bastides òssies pacient-específics que permeten ajustar les propietats mecàniques ortòtropes en cada direcció en funció de l'os. / [EN] The main objective of this thesis is to analyse the effect of osteoporosis on the mechanical behaviour of cancellous bone. The behaviour of cancellous bone has been addressed through different approaches: experimental tests, finite element (FE) models and medical imaging obtained by micro-CT. The impact of osteoporosis has been studied on different scales. Firstly, a study has been undertaken at the lamellar tissue level of trabecular bone to estimate the equations that define the elastic and strength properties as a function of bone mineral density and tissue porosity. These equations are inferred from FE models and allow us to characterise the behaviour of lamellar bone tissue covering a wide range of porosities and BMDs. A study of the cancellous structure and lamellar tissue has been carried out using a stereomicroscope and FESEM. At lamellar tissue level, it was possible to observe the arrangement of lamellae in different locations, such as trabeculae and at their intersections. In addition, it has been possible to evaluate the natural tissue porosity and that produced by bone diseases. All this information has been incorporated to the numerical models in order to define the properties of cancellous bone samples. The estimated elastic and strength equations consider an orthotropic behaviour and it is possible to quantify how BMD and porosity affect these properties. On the other hand, the mechanical behaviour under compression of human trabecular bone samples from femoral heads has been studied. These samples are classified into three study groups: healthy, osteoarthrosic and osteoporotic. The samples have been studied using experimental tests, medical imaging obtained and FE models, enabling to obtain a great deal of information regarding the mechanical behaviour of the bone. The trabecular microarchitecture strongly influences the mechanical response. The most important results obtained are the apparent modulus, the failure stress and the failure strain. It was possible to generate FE models and study the morphometry of the specimens. The FE models have made it possible to estimate the properties at the tissue level. The results revealed that at the tissue level, Young's modulus does not vary appreciably, even if the bone shows bone pathology. A similar yield behaviour is observed for all groups, with differences only in the final failure strain. The morphometry study has enabled to analyse the morphometric parameters that differentiate between healthy and diseased specimens and even to differentiate between different pathologies. The morphometric parameters have been correlated with the mechanical response to analyse those that have the most significant influence on the mechanical response. The correlations obtained make it possible to estimate the mechanical response of trabecular bone using micro-CT images without the need for experimental tests. The parameters obtained from the mechanical response have also been related. These relationships permit to know the behaviour of each of the samples, which is different depending on the disease they suffer. Finally, bioinspired samples and minimal surface area triple periodic structures obtained by additive manufacturing have been studied. These samples are made of PLA as the printing material. The samples show a similar orthotropic behaviour to the trabecular samples. These simulants can be used for pre-studies when bone samples are not available. The treatment of large bone fractures requires unconventional techniques for bone fixation. Bone scaffolds with triple periodicity that result in equal orthotropic properties in all three orthogonal directions are often used. These systems must have bone-like stiffness in the vicinity of the defect to avoid implant loosening. To this end, a methodology has been proposed to design patient-specific bone scaffolds that allow the orthotropic mechanical properties in each direction to be calibrated according to a specific bone. / The author and the supervisors of this PhD thesis acknowledge the Ministerio de Ciencia e Innovación y Universidades and the European Regional Development Fund (FEDER) for the financial support received through the projects PID2020-118920RB-I00 and PID2020-118480RB-C21 and C22 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, and the Generalitat Valenciana for Plan FDEGENT 2018 and Programa PROMETEO/2021/046. / Megías Díaz, R. (2024). Analysis of osteoporosis effect on the mechanical behaviour and morphometry of human cancellous bone [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206355