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Microarchitecture et résistance mécanique osseuse - 01/01/01

Bernard  Cortet 1 * ,  Xavier  Marchandise 2 *Correspondance et tirés à part

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Résumé

Bien que la masse osseuse soit le principal déterminant de la résistance mécanique osseuse, 30 à 40 % de la variabilité de cette dernière n'est pas expliquée par la mesure de la première. Ainsi la qualité du tissu osseux, laquelle fait notamment intervenir le degré de minéralisation, le niveau de remodelage ainsi que la microarchitecure, est également un élément à prendre en compte. Plusieurs attributs visant à caractériser la microarchitecture osseuse ont été définis depuis plus de 15 ans. Les plus simples (paramètres de Parfitt) consistent à mesurer le nombre de travées osseuses, leur épaisseur ainsi que celle de l'espace les séparant. L'image binaire (deux niveaux de gris) du tissu osseux peut également être dilatée afin de déterminer le facteur de répartition trabéculaire. Cette procédure tend à majorer le nombre de surfaces convexes, caractéristiques d'un réseau trabéculaire désorganisé. L'image binaire peut ensuite être encore simplifiée (squelettisation) afin de comptabiliser le nombre de noeuds c'est-à-dire d'anastomoses entre les travées osseuses ou à contrario le nombre d'extrémités libres qui correspondent à des segments déconnectés du reste du réseau. La caractérisation de la moelle osseuse par le biais de la mesure du star volume est aussi un élément intéressant à prendre en compte au même titre que la détermination de l'indice d'inerconnexité médullaire et du nombre d'Euler-Poincaré. Ces divers paramètres peuvent être mesurés sur des échantillons osseux mais également à partir d'examens d'imagerie modernes tels que le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) en précisant que la résolution dans le plan est alors nettement moindre. L'étude est le plus souvent bidimensionnelle mais aussi parfois tri-dimensionnelle, ce qui apparaît bien évidemment plus satisfaisant. Enfin l'analyse fractale est une approche originale permettant relativement simplement (mesure de la dimension fractale) de déterminer le degré de désorganisation du réseau trabéculaire. Les données ex vivo (mesures histomorphométriques) suggèrent que la prise en compte des paramètres microarchitecturaux permet d'expliquer 10 à 30 % supplémentaires de la variabilité de la résistance mécanique osseuse. Les résultats obtenus en utilisant le microscanner sont superposables. De même les conclusions des études tomodensitométriques ou en IRM sont analogues. Il convient cependant de préciser que toutes les données ne sont pas univoques, vraisemblablement en raison du choix du site d'analyse osseuse qui n'est pas le même d'une étude à l'autre et du fait d'erreurs expérimentales dans la mesure des variables caractérisant la résistance mécanique osseuse. La méthode des éléments finis qui permet de calculer notamment le module d'élasticité à partir d'une reconstruction tridimensionnelle de la pièce osseuse pourrait permettre de pallier à ces critiques. Les travaux qui lui sont consacrés sont cependant pour l'heure peu nombreux et nécessitent d'être confirmés. Enfin une autre approche plus clinique consiste à comparer l'architecture osseuse de patients ayant une ostéoporose fracturaire et de sujets témoins dont la masse osseuse n'est pas différente. Les quelques études transversales réalisées sur le sujet (histomorphométrie, scanner ou IRM) sont en faveur d'une désorganisation du réseau trabéculaire chez les premiers comparativement aux seconds.

Mots clés  : masse osseuse ; microarchitecture osseuse ; ostéoporose ; résistance mécanique osseuse.

Abstract

Although bone mass is the main determinant of bone mechanical resistance, it explains only 30% to 40% of the variability of this characteristic, indicating that other factors are involved. Among these factors is bone tissue quality, which depends on bone mineralization, bone turnover, and bone microarchitecture. Several parameters for characterizing bone microarchitecture have been developed over the last 15 years. The simplest (Parfitt's parameters) are trabecular count, width, and separation. A binary image (two levels of gray) of bone tissue can be expanded and used to determine the trabecular bone pattern factor. This method tends to overestimate the number of convex surfaces, which are characteristic of trabecular network disruption. The binary image can be further simplified (skeletonized) and used to count the number of nodes (anastomoses between trabeculae) or free ends (segments disconnected from the network). The bone marrow star volume, the marrow interconnectivity index, and the Euler-Poincaré number are useful for characterizing the bone marrow. These parameters can be measured on bone specimens or on computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) scans, although in-plane resolution is far lower with scans than with specimens. Two-dimensional analysis is widely used, although three-dimensional studies are more satisfactory. Finally, fractal analysis is an original approach in which fractal dimension measurement, which is fairly simple, is used to determine the degree of network disruption. Ex vivo histomorphometric data suggest that microarchitecture-related factors may explain 10% to 30% of the variability in bone mechanical resistance beyond the proportion explained by bone mass. Similar results have been obtained in microimaging, CT, and MRI studies. Discrepancies across studies exist, however, in the strength of the relationship between bone mass and bone mechanical resistance; they are probably ascribable to differences in measurement sites and to errors in the measurement of variables characterizing bone mechanical resistance. The finite element method may be a means of sidestepping these problems. It can be used, in particular, to calculate Young's modulus of elasticity from three-dimensional bone segment reconstructions. The results of the few studies of the finite element method are promising but require confirmation. Finally, a more clinical approach consists in comparing bone architecture in patients with osteoporotic fractures and in controls matched on bone mass. A few cross-sectional studies have used this approach. Bone architecture was evaluated using histomorphometry, CT, or MRI. The results indicate that trabecular network disruption is more severe in patients with than without fractures.

Mots clés  : bone mass ; bone mechanical resistance ; bone microarchitecture ; osteoporosis.

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Vol 68 - N° 7

P. 584-594 - juillet 2001 Retour au numéro
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