According to the inter-individual variability of bone mechanical properties, subject-specific evaluation of the cancellous bone Young’s modulus is needed to build finite-element models predicting vertebral strength with accuracy. Relationships based on the density assessed by quantitative computed tomography were proposed. However, quantitative computed tomography is not always suited for the analysis of the whole spine for patients’ follow-up because of the high radiation dose. Hence, this study aims at evaluating the mechanical properties of the vertebral cancellous bone using a low-dose X-ray device.

Nineteen vertebrae were considered. Biplanar radiographs were made using the low-dose EOS^® system with a dual-energy modality to evaluate antero-posterior and lateral areal bone mineral densities. A cylindrical sample was extracted from each vertebral body and tested until failure to assess the Young’s modulus and the ultimate stress of the vertebral cancellous bone.

Mechanical properties were significantly related to the EOS^® areal densities. On one hand, the relationships remained less predictive than those based on quantitative computed tomography, but on the other hand, they better predict mechanical properties than previous studies using dual X-ray absorptiometry (clinical gold standard system for density assessment).

The study shows the feasibility to predict the Young’s modulus of the vertebral cancellous bone from the whole vertebral areal bone mineral density (BMD). It gives promising prospects to build finite-element models, including both subject-specific geometry and subject-specific mechanical properties by using a low-dose X-ray device for regions where high radiation doses would limit tomography assessment possibilities.

Face à la variabilité interindividuelle des propriétés mécaniques du tissu osseux, une évaluation personnalisée de l’élasticité de l’os spongieux vertébral est nécessaire pour disposer in fine de modèles en éléments finis fidèles, permettant de prédire précisément la résistance vertébrale. Une évaluation basée sur la tomodensitométrie existe, mais l’importante dose d’irradiation induite par cette technique limite son utilisation pour le suivi longitudinal de patients sur l’ensemble du rachis. C’est pourquoi, l’objectif de l’étude est de prédire les propriétés mécaniques de l’os spongieux vertébral en utilisant une imagerie à basse dose d’irradiation.

Des radiographies biplanaires ont été réalisées sur 19 vertèbres à l’aide du système EOS^®, en double-énergie, afin de mesurer leurs densités minérales osseuses surfaciques dans le plan sagittal et frontal. Une éprouvette cylindrique d’os spongieux a ensuite été prélevée dans chaque corps vertébral et testée en compression jusqu’à la rupture pour calculer le module d’Young et la contrainte maximale.

Les densités mesurées par EOS^® sont significativement corrélées aux propriétés mécaniques de l’os spongieux. Cette corrélation n’atteint pas le niveau de prédiction de la tomodensitométrie. Elle est cependant supérieure à celle obtenue précédemment par absorptiométrie biphotonique, qui reste la technique de référence pour la mesure de densité minérale osseuse en clinique.

L’élasticité de l’os spongieux vertébral peut être prédite par la mesure de la densité vertébrale. Cela ouvre des perspectives encourageantes pour la construction de modèles en éléments finis entièrement personnalisés avec une imagerie à faible dose d’irradiation, pré-requis indispensable pour une future application in vivo.