Étude de la micro-architecture osseuse par technique d’imagerie

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Evaluation de la micro-architecture du tissu osseux 

La microarchitecture osseuse peut s’étudier ex vivo, in vivo ou in vitro, sur des coupes anatomopathologiques ou sur des images en deux ou trois dimensions [11].

Histomorphométrie

Il s’agit de la méthode de référence pour l’évaluation de la micro-architecture osseuse, effectuée sur biopsie osseuse de l’aile iliaque. Celle-ci permet d’étudier directement les cellules osseuses et la matrice et d’appréhender à la fois la configuration osseuse et la connectivité des travées. L’étude dynamique du remodelage osseux à l’aide du double marquage à la tétracycline permet de préciser s’il existe un défaut de minéralisation osseuse (ostéomalacie). Les indications actuelles de cet examen sont limitées à des situations dont le diagnostic n’est pas évident comme la survenue de fractures inexpliquées chez des hommes jeunes ou des femmes non ménopausées, ou dans des maladies chroniques ou rares pouvant engendrer des troubles de minéralisation osseuse (mastocytose, maladie de Gaucher etc). Cet examen comportant des risques inhérents à son caractère invasif ne peut plus être effectué en routine clinique comme auparavant : en effet, d’autres techniques ont été développées afin d’avoir ces mêmes informations, sans nécessiter de biopsie osseuse.

Étude de la micro-architecture osseuse par technique d’imagerie

Les différentes techniques d’imagerie peuvent être séparées par mode d’acquisition de l’image (deux dimensions ou trois dimensions) et par leur emploi (in vivo, ex vivo ou in vitro). Les techniques in vitro visent en général à compléter les données de l’histomorphométrie, tandis que les techniques utilisables in vivo ont plutôt un rôle de dépistage des patients à risque.

Évaluation en deux dimensions (2D)

L’évaluation in vitro peut se faire par imagerie optique, micro-radiographies ou scanner. L’absorptiométrie biphotonique à rayons X, dont les acquisitions peuvent être utilisées pour étudier la texture osseuse ( mesure du Trabecular Bone Score), peut être employée in vivo, tout comme la radiographie à haute résolution (200 µm) sur des structures périphériques (radius, calcanéum, fémur). Il s’agit de la technique employée dans cette étude, que nous allons détailler ci-après. Ces techniques d’imagerie reprennent les paramètres utilisés classiquement pour caractériser la morphologie et la topologie du réseau trabéculaire. La caractérisation ne se fait alors pas sur le réseau proprement dit mais sur la projection de ce dernier. Les mesures obtenues sont alors dites « apparentes » et le calcul des paramètres topologiques se fait sur les directions privilégiées des travées osseuses. Un biais peut survenir en raison de l’étape initiale de binarisation de l’image.

Evaluation en trois dimensions (3D)

L’analyse in vitro ou ex vivo peut se faire par IRM ou par imagerie optique (technique complexe), ou encore par micro-scanner (Fig. 1), employant un rayonnement X conventionnel ou synchrotron, ce dernier donnant une meilleure résolution d’image mais difficilement accessible. L’étude in vivo peut se faire par rayonnement X sur micro-scanner périphérique (technique irradiante), avec étude du réseau trabéculaire et de la connectivité osseuse, ou par IRM utilisant des champs à 3 teslas. A noter que cette dernière technique présente une résolution inférieure à celle du microscanner ainsi qu’une difficulté d’analyse du fait de la composition hydrique du squelette, expliquant sa moindre avancée par rapport à celles basées sur les rayons X, et ce malgré son caractère non irradiant.

Outils de caractérisation de la micro-architecture osseuse

Une fois les images acquises selon les techniques décrites précédemment, on dispose de différents outils d’analyse [4].

Analyse morphologique

Cette technique évalue la taille et l’espacement des travées, ainsi que la porosité de la structure. Le principal paramètre étudié est la fraction volumique de l’os (BV/TV), calculé par la méthode du MIL (Mean Intercept Length), permettant de quantifier les travées en rapportant le nombre d’intersections entre des lignes test et les interfaces os trabéculaire-moelle à la longueur de lignes test parallèles. Cette technique nécessite un seuillage de l’image effectué à partir d’un histogramme de niveaux de gris ou d’une calibration interne, étape critique dans ce type d’analyse.

Analyse topologique

La caractérisation topologique est relative au dénombrement des amas de travées et des espaces médullaires ainsi qu’à l’interconnexion de ces amas. Après simplification de la structure osseuse (squelettisation) représentant l’ossature de départ, il est possible d’identifier le nombre de nœuds (correspondant aux anastomoses au sein du réseau osseux), d’extrémités libres (reflétant les travées osseuses déconnectées du reste du réseau), de distances (nœud à nœud, nœud à extrémité libre, extrémité libre à extrémité libre), reflétant la connectivité ou la discontinuité du réseau trabéculaire. Différents paramètres sont alors calculés, tels que le Star Volume, le Trabecular Bone Pattern Factor ou plus récemment, le Ridge Number Density.

Analyse de texture

Les images texturées, qu’elles soient issues de coupes IRM, TDM ou de radiographies osseuses, peuvent se prêter à différentes techniques d’analyse de structure rendant compte de la microarchitecture osseuse de façon indirecte. Différentes techniques d’analyse sont utilisées :
– l’analyse structurelle de texture, reposant sur la caractérisation topologique de la projection du réseau trabéculaire, technique déjà décrite plus haut. Ces paramètres sont identiques à ceux appréhendés en histomorphométrie.
– L’analyse statistique, permettant à l’aide de matrices de co-occurrence ou de longueurs de plages, de décrire les caractéristiques différentielles de variation locales de niveaux de gris.
– L’analyse fractale, qui est une mesure non euclidienne évaluant la complexité et la rugosité de la texture en définissant un paramètre dit de dimension fractale (D) et pouvant être calculé par différentes méthodes à choisir selon le caractère binaire ou non de l’image à analyser (méthode des boîtes, maximum de vraisemblance à partir du mouvement brownien fractionnaire, variance selon Pentland, méthode de Fourier, ces dernières étant employées pour évaluer la texture de l’imagerie en projection). Le modèle fractal est basé sur un haut degré de complexité, avec répétition d’une unité de base, restant la même quel que soit le niveau d’étude. Le paramètre d’étude principal est H (Hurst), défini comme H= 2-D. Plusieurs mesures de H effectuées dans des directions différentes permettent d’obtenir une valeur moyenne de H, H mean. Plus H mean est élevé, moins la structure est rugueuse, ceci traduisant un statut trabéculaire meilleur. Les autres paramètres étudiés sont le paramètre RLE (Run Lenght Encoding) représentant un ensemble de pixels consécutifs ayant un même niveau de gris dans une direction donnée, et le paramètre de co-occurrence (coocc), matrice de calculs représentant un ensemble de valeurs possibles pour un couple ligne/colonne donné. La co-occurrence varie dans le même sens que H mean, tandis que le paramètre brut RLE varie dans le sens inverse. Cependant, pour des raisons pratiques, l’appareil d’analyse, type BMA™, calcule directement son opposé, faisant donc que ce paramètre varie également dans le même sens que les deux autres. Ces indicateurs d’analyse fractale peuvent être utilisés sur des coupes histologiques, ou des images obtenues par radiographies directement digitalisées (BMA™), scanner ou IRM.
L’analyse fractale est une méthode fiable et reproductible comme en témoignent diverses études : en 2007, une équipe [12] s’est intéressée à l’évaluation de la micro-architecture osseuse au calcanéum, le même jour avec repositionnement et une semaine après, chez des patients sains. La conclusion de cette étude était que cette méthode d’évaluation était reproductible, le coefficient de variation allant de 1.16% à 1.26%. Dans une autre étude datant de 2010 [13], on retrouvait des coefficients de variation faibles à différents sites pour le paramètre H mean, mesuré à plusieurs reprises chez 14 volontaires sains ; celui- ci était mesuré à trois reprises, au calcanéum, au radius et au tibia et était respectivement de 1.2%, 2.1% et 4.7%.
– L’analyse de l’anisotropie, basée sur la structure même de l’os, dont l’orientation des travées se fait en fonction des forces qui lui sont soumises. La mesure du nombre d’interfaces dans les trois directions de l’espace permet de reconstituer une ellipse dans un espace à deux dimensions. Le rapport entre l’axe le plus long et le plus court de cette ellipse constitue le degré d’anisotropie. Cette revue des différentes techniques d’évaluation de la microarchitecture osseuse met en évidence un certain nombre d’informations qui ne sont pas données par la densitométrie osseuse à rayons X. L’étude du statut microarchitectural pourrait permettre de définir plus finement le risque de fracture. Notre étude a pour but d’évaluer l’intérêt de cette évaluation systématique en complément de l’ostéodensitométrie.

Matériel et méthodes

Il s’agit d’une étude monocentrique prospective, observationnelle, non randomisée. 90 patients (69 femmes, 21 hommes) ont été initialement recrutés entre novembre 2011 et avril 2012, dans les services de soins de suite et de réadaptation et de rhumatologie du CHU de Rouen, site de Bois-Guillaume. Treize patients ont été exclus en raison de données manquantes, portant l’effectif total à 77 patients.
Tous les patients ont bénéficié dans le cadre du bilan d’ostéoporose d’un questionnaire portant entre autres sur les facteurs de risque d’ostéoporose ( annexe 1), d’une évaluation des apports calciques quotidiens à l’aide du questionnaire de Fardellone, d’un dosage plasmatique de la 25OH vitamine D3 et d’une ostéodensitométrie sur trois sites ( rachis lombaire, poignet et col fémoral) sur appareil Hologic Discovery, couplée à l’évaluation de la micro-architecture osseuse par la technique BMA™ (D3A Médical System) sur deux sites ( poignet et col fémoral). Il n’a été réalisé qu’une mesure de chaque paramètre par patient. Les résultats de densitométrie osseuse ont été comparés aux résultats moyens de densité minérale osseuse d’une population française de référence, fournie par le constructeur.
Concernant le positionnement des patients sur l’appareil de BMA™ (D3A Médical System), il a été effectué comme suit :
– Pour l’étude du radius distal, la main était positionnée à plat sur le capteur, doigts légèrement écartés, poignet et bras sur le positionneur, coude fléchi à 90°. L’étude se faisait sur le poignet gauche, sauf en cas d’antécédent ou de fracture récente sur celui-ci. Le faisceau était centré sur l’interligne radio-carpien (image 1). Les repères étaient placés manuellement de part et d’autre du milieu de l’articulation du radius, avec une région d’intérêt de 256X180 pixels, définie afin de correspondre avec celle de l’Xtreme CT de Scanco Medical pour étudier la mesure de la relation entre microarchitecture 2D (BMA ™) et 3D (tomodensitométrie périphérique tridimensionnelle haute résolution).
– Pour l’étude du fémur proximal, le patient était positionné en décubitus dorsal, bassin de face avec pied en rotation interne, à l’aide du positionneur DEXA. L’étude se faisait sur la hanche gauche, sauf en cas d’antécédent ou de fracture récente ou de matériel prothétique sur celle-ci. Le faisceau était centré quatre doigts en dessous de l’épine iliaque antéro-inférieure. Les repères étaient placés manuellement, sur la partie la supérieure du petit trochanter et la partie supérieure et médiale du grand trochanter ; la taille de la région d’intérêt est de 256X256 pixels (image 2).
Les images issues de cet appareil, possédant un capteur rayons X numérique haute résolution (8 pixels/mm), sont directement digitalisées, ce qui permet un gain de précision. Une fois les images acquises par le logiciel, la quantification de la microarchitecture de l’os trabéculaire se fait par analyse fractale de texture avec technique de contrôle d’acquisition.
Concernant la fiabilité des mesures, un contrôle avec fantôme était réalisé quotidiennement sur l’appareil d’ostéodensitométrie et trois fois par semaine sur l’appareil BMA™ (D3A Medical System), conformément aux recommandations du constructeur.
La dose efficace d’irradiation reçue par le patient, grandeur dosimétrique représentative du risque radiologique lié aux examens utilisant des rayonnements ionisants, est de 2.7 µSV pour le poignet de face et de 0.79 mSV pour le col fémoral. La dose reçue lors de la densitométrie osseuse est de 10 µSV en moyenne. En comparaison, l’irradiation reçue lors d’une radiographie thoracique est de l’ordre de 100 µSV.
Les logiciels utilisés pour réaliser l’analyse statistique sont NCSS version 2007 et Start Xact Cytel. Les tests employés pour rechercher une corrélation entre les paramètres densitométriques et microarchitecturaux sont le test de corrélation de Spearman et le test exact de Fisher pour l’analyse en sous-groupe (tertiles). Nous avons considéré comme significative une valeur de p< 0.05.

Résultats

L’analyse porte sur 77 patients (58 femmes, 19 hommes) ayant un age médian de 81 ans et présentant une fracture d’allure ostéoporotique. Les critères d’inclusion étaient une fracture à basse cinétique, hors fracture du crâne, de la face ou des phalanges et un âge entre 50 et 85 ans. Les patients présentant un antécédent de cancer ou d’hémopathie ainsi que des troubles cognitifs sévères pouvant rendre la réalisation des examens complémentaires ou l’observance thérapeutique difficiles, étaient exclus.
47 patients sur 77 avaient au moins un facteur de risque d’ostéoporose, correspondant à au moins une réponse positive aux questions de la fiche de synthèse présentée en annexe 1. L’ensemble des caractéristiques de la population est rapporté dans le tableau 1 ; le détail des fractures est exposé dans le tableau 4.
Les différentes valeurs des paramètres densitométriques au rachis lombaire, au col fémoral et à l’avant-bras sont présentées dans le tableau 2 ; les valeurs de paramètres microarchitecturaux au col fémoral et à l’avant-bras sont exposées dans le tableau 3.

Corrélation entre le score FRAX et les paramètres microarchitecturaux

Notre étude met en évidence un lien négatif mais significatif entre les paramètres microarchitecturaux à l’avant-bras et le score FRAX pour les fractures majeures et pour les fractures du col fémoral, avec une valeur du coefficient de corrélation variant entre -0.33 et -0.21. Nous ne mettons pas en évidence de corrélation entre score FRAX et paramètres microarchitecturaux du col fémoral.

DISCUSSION

Notre étude porte sur une population fracturée que l’on peut considérer comme ayant une ostéoporose sévère, la médiane de la valeur de T-score au col fémoral étant à -3 (tableau 2) et le score FRAX pour les fractures majeures à 18% (tableau 1).
Rappelons les corrélations mises en évidence dans cette étude :
– Corrélation significative, faible et négative entre paramètres densitométriques et microarchitecturaux (H mean et co-occurrence) au col fémoral, retrouvée uniquement entre H mean et densité minérale osseuse lors de l’analyse en sous-groupes.
– Corrélation significative, faible et positive entre paramètres densitométriques et microarchitecturaux à l’avant-bras, retrouvée également sur l’analyse en sous-groupes. La corrélation entre H mean et DMO est la plus forte, le coefficient s’approchant de 0.5.
– Corrélation significative, faible et positive entre paramètres densitométriques au col fémoral et microarchitecturaux à l’avant-bras.
– Corrélation significative, faible et négative entre H mean au col fémoral et T-score à l’avant-bras ; pas de corrélation significative mise en évidence avec les autres paramètres de microarchitecture osseuse ou avec la densité minérale osseuse.
– Absence de corrélation mise en évidence entre paramètres densitométriques au rachis lombaire et microarchitecturaux aux deux sites de mesure.
– Corrélation significative et négative entre paramètres microarchitecturaux au col fémoral et paramètres morphologiques, forte entre H mean et IMC. Corrélation significative et positive entre paramètres densitométriques au col fémoral et paramètres morphologiques, plus forte avec la densité minérale osseuse qu’avec le T-score.
– Pas de corrélation mise en évidence entre paramètres microarchitecturaux à l’avant-bras et paramètres morphologiques. Corrélation significative, faible et positive entre T-score à l’avant-bras et poids et IMC.
– Corrélation significative, forte et positive entre paramètres microarchitecturaux sur un même site ; absence de corrélation mise en évidence entre paramètres microarchitecturaux des deux sites.
– Corrélation significative, faible et négative entre paramètres microarchitecturaux de l’avant-bras et score FRAX ; pas de corrélation retrouvée entre paramètres microarchitecturaux du col fémoral et score FRAX.
La corrélation négative mise en évidence entre les paramètres densitométriques et microarchitecturaux au col fémoral est étonnante : l’augmentation de la valeur des paramètres de microarchitecture, traduisant un meilleur statut trabéculaire, s’accompagne d’une diminution des paramètres densitométriques, donc d’un moins bon statut densitométrique. On aurait pu s’attendre, comme dans d’autres études, à voir varier les deux types de paramètres dans le même sens. C’est le cas dans une étude datant de 1998 [14] portant sur 43 calcanéums obtenus post-mortem et retrouvant une corrélation positive entre paramètres fractaux (mesurés sur radiographies standards) et densitométriques. En 2002, Lespessailles [15] et al avaient employé l’analyse fractale sur des radiographies standards effectuées sur le calcanéum de 537 patientes non fracturées, associée à la mesure de la densité minérale osseuse à la hanche et au rachis lombaire et avaient trouvé également une corrélation faible et positive entre paramètres densitométriques et H mean au col fémoral. L’étude de Lin [16] aboutissait à la même conclusion à partir de l’analyse fractale de radiographies standards réalisées sur 51 fémurs et de la densité minérale osseuse obtenue par microscanner aux mêmes sites; il est à noter que cette corrélation était le plus souvent positive, mais que sur une région d’intérêt bien précise, elle s’est avérée négative, avec une valeur de r comparable à celle retrouvée dans notre étude. Des études ex vivo ont également retrouvé une corrélation positive entre paramètres densitométriques et microarchitecturaux, comme l’étude de Le Coroller et al [17] menée sur 21 fémurs avec analyse fractale par appareil BMA™ (D3A Medical Systems) ou celle de Kolta et al [18], basée aussi sur l’analyse fractale obtenue par BMA™. Certaines études ne mettent pas en évidence de corrélation comme celles de Lespessailles et al. [7] en 2008 portant sur 93 patientes ménopausées fracturées appariées à 93 témoins ayant eu une densitométrie osseuse au col fémoral, à l’extrémité supérieure du fémur et au rachis lombaire ainsi qu’une étude de la microarchitecture au calcanéum par BMA™. La même équipe avait déjà évalué la microarchitecture osseuse par analyse fractale au calcanéum et était parvenue à la même conclusion [12], en comparant les paramètres de texture aux paramètres densitométriques au col fémoral ou l’étude de Vokes [19] où il n’a pas été mis en évidence de corrélation entre les deux types de paramètres.
Nous n’expliquons pas totalement cette corrélation négative, mais il est possible qu’elle nous aide à comprendre la survenue des fractures chez des personnes en surpoids ou obèses, ayant théoriquement de meilleurs paramètres densitométriques [20] : l’augmentation des contraintes mécaniques liées au poids pourrait améliorer le statut cortical et expliquer un meilleur statut densitométrique ( l’ostéodensitométrie mesurant à la fois le secteur cortical et trabéculaire) , mais il pourrait exister de manière indépendante une moins bonne microarchitecture osseuse, mise en évidence par des paramètres fractaux plus bas. Ceci vient renforcer l’intérêt de réaliser ces deux examens complémentaires pour une évaluation complète du statut osseux au col fémoral. Nous reviendrons sur cette notion un peu plus loin.
La mise en évidence d’une corrélation positive entre paramètres densitométriques et microarchitecturaux à l’avant-bras parait « plus logique » et nous permet de penser qu’il n’y a pas d’informations supplémentaires apportées par la mesure fractale de la microarchitecture à l’avant-bras. On obtiendrait le même type d’informations à ce site de mesure ; cependant, dans la mesure où les fractures de l’avant-bras sont le plus souvent des fractures trabéculaires, il est pertinent d’avoir une évaluation du statut microarchitectural en complément de l’ostéodensitométrie qui évalue à la fois le secteur cortical et trabéculaire. On retrouve peu d’études portant sur la microarchitecture osseuse à l’avant-bras : citons simplement une étude datant de 2005 [21] n’ayant pas retrouvé de corrélation entre paramètres densitométriques et microarchitecturaux (obtenus par microIRM) à l’avant-bras.
De la même façon, le coefficient de corrélation positif entre paramètres densitométriques au col fémoral et microarchitecturaux à l’avant-bras ne nous permet pas de conclure à l’apport d’informations supplémentaires sur le statut densitométrique au col fémoral sur la base des résultats fractaux à l’avant-bras. Nous retrouvons un travail datant de 2000 [22], concluant à une corrélation négative entre paramètres fractaux mesurés sur radiographies du radius distal et paramètres densitométriques à la hanche, effectué chez des patients fracturés et non fracturés à la hanche, avec une différence significative entre les deux groupes.
A l’inverse, nous ne retrouvons pas de corrélation significative entre paramètres densitométriques à l’avant-bras et microarchitecturaux au col fémoral, ce qui nous permet de supposer que l’évaluation fractale de la microarchitecture fémorale apporterait des informations supplémentaires quant au statut densitométrique à l’avant-bras.
Nous n’avons pas mis en évidence de corrélation significative entre paramètres densitométriques au rachis lombaire et les paramètres fractaux au col fémoral et à l’avant-bras. Toutefois, ces résultats sont à prendre avec précaution dans la mesure où l’étude densitométrique du rachis lombaire est souvent artefactée en raison de l’arthrose lombaire et des calcifications vasculaires, surtout chez des patients âgés. Cette absence de corrélation a déjà été retrouvée dans quatre études [7 ; 12 ; 15 ; 19].

Table des matières

I] GENERALITES
A) Ostéoporose : définition, conséquences, diagnostic, traitement
B) Evaluation de la micro-architecture du tissu osseux
1 – Histomorphométrie
2- Étude de la micro-architecture osseuse par technique d’imagerie
3- Outils de caractérisation de la micro-architecture osseuse
II] ETUDE
A) Matériel et méthodes
B) Résultats
1/ Corrélation entre les paramètres densitométriques et microarchitecturaux au col fémoral
2/Corrélation entre les paramètres densitométriques au col fémoral et les paramètres microarchitecturaux à l’avant-bras
3/ Corrélation entre les paramètres densitométriques et microarchitecturaux à l’avantbras
4/ Corrélation entre paramètres densitométriques à l’avant-bras et microarchitecturaux au col fémoral
5/ Corrélations entre paramètres densitométriques au rachis lombaire et microarchitecturaux au col fémoral et à l’avant-bras
6/ Corrélation entre paramètres morphologiques, paramètres densitométriques et microarchitecturaux au col fémoral
7/ Corrélation entre paramètres morphologiques, paramètres densitométriques et microarchitecturaux à l’avant-bras
8/ Corrélation entre les paramètres microarchitecturaux au col fémoral et à l’avant-bras (tableau 12)
9/ Corrélation entre le score FRAX et les paramètres microarchitecturaux
III] DISCUSSION
IV] CONCLUSION
V] ANNEXE
VI] REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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