Soutenance mémoire
L’ostéoporose
C’est une anomalie diffuse du squelette caractérisée par une faible masse osseuse et une altération de la micro-architecture du tissu osseux qui prédispose une personne à un risque accru de fracture. La masse osseuse possède une définition histologique et correspond à la quantité de tissu osseux par unité de volume. L’OMS a proposé en 1994 une définition de l’ostéoporose basée sur l’abaissement de la densité minérale osseuse (DMO) mesurée par ostéodensitométrie de type absorptiométrie biphotonique aux rayons X (DXA). Cette définition ne concerne que la population féminine blanche ménopausée et le choix du seuil de T-score < -2,5 a été conditionné par le risque fracturaire après la ménopause. Plusieurs types d’ostéoporoses existent : primitive (post-ménopausique ou sénile) ou secondaire (induite par des pathologies ou des traitements).
Les fractures du fémur et du rachis ont un pronostic lourd avec une diminution des capacités fonctionnelles des patients, la survenue de complications liées à l’alitement prolongé. Elles sont donc source de surmortalité chez les patients âgés, de placement en institution et sont donc un important problème de santé publique. Actuellement, le diagnostic d’ostéoporose et l’instauration de traitement repose sur la mesure de densité osseuse et ne considère donc qu’une partie de la physiopathologie de cette affection. L’enjeu majeur actuel serait de pouvoir prédire le risque fracturaire chez un individu donné, non seulement en se servant de la DMO mais également des autres facteurs de risque de fracture que sont la microarchitecture mais également les antécédents familiaux, l’environnement, les traitements… LA DMO seule ne peut rendre compte d’un risque fracturaire précis car soumis à plusieurs limites : surestimation si arthrose, scoliose, tassement vertébral, contre-indication si présence de matériel radio-opaque (ex : arthrodèse), pas d’analyse de la qualité osseuse, imagerie 2D. Cette évaluation du risque permettrait un diagnostic plus précoce et donc une meilleure prévention. Une telle évaluation est actuellement proposée par le score FRAX. Cet outil estime le risque de fracture majeure (extrémité supérieure du fémur, de l’humérus, du poignet, ou des vertèbres) à 10 ans en prenant en compte les antécédents du patient, les facteurs environnementaux et la DMO au col fémoral. Le « trabecular bone score » (TBS) est un nouvel (2008) outil de texture osseuse calculé sur les images d’ostéodensitométrie du rachis lombaire. Il permet de rendre compte de l’arrangement des pixels de l’image entre eux. Ce score apparait être bien corrélé à l’incidence des fractures porotiques mais il ne doit pas être utilisé seul pour décider de traitements. L’outil FRAX peut être ajusté avec le TBS. Ce TBS possède cependant le même genre de limitations que la mesure de densité osseuse en DXA. Il apparait donc utile de pouvoir « quantifier » la qualité osseuse autrement que sur DXA ou radiographie standard. Nous avons donc voulu tester les performances du Logiciel de Texture d’Oléa Medical dans le cadre de l’étude de la résistance osseuse, sur scanner et IRM.
La Texture
La texture d’une image correspond aux informations sur la distribution des différentes tonalités de l’image, permettant une analyse de la distribution spatiale des pixels. Elle rend compte de l’arrangement des formes constituant l’image. Différents types d’analyse de texture existent : l’analyse fractale, l’analyse structurelle, l’analyse statistique, indice de pattern de travées, analyses histomorphométriques, analyses dites transform-based.
En ostéo-articulaire, la texture permet une approche indirecte de la micro architecture de l’os trabéculaire, cet os étant constitué d’un réseau de travées et de cellules (remplies par la moelle). La texture est aussi utilisée en recherche dans d’autres domaines médicaux et notamment la caractérisation tumorale. Le logiciel Texture d’Olea Medical propose différents paramètres de texture statistique :
– Paramètres de premier ordre qui étudient l’intensité des voxels ou pixels dans la région étudiée à partir d’un histogramme (dans ce cas on ne prend pas en compte l’arrangement dans l’espace des voxels/pixels)
– Paramètres de second ordre qui étudient la distribution spatiale des différentes intensités des voxels ou pixels : paramètres dérivés d’une matrice de co-occurrence de niveaux de gris, paramètres dérivés d’une matrice de longueur de plage et d’autres paramètres dont les applications dans le domaine médical sont pauvres et encore moins en ostéo-articulaire .
Ces paramètres peuvent être calculés sur des images en 2D ou sur des volumes 3D.
Matrice de co-occurrence :
La matrice de co-occurrence correspond à un tableau dont les valeurs représentent le nombre de fois qu’une combinaison de deux voxels/pixels apparait dans la région ou volume d’intérêt (ROI/VOI). Une combinaison est définie par une certaine distance séparant les deux voxels/pixels et par un certain angle. Par exemple, le nombre de fois que la valeur X se trouve à côté de la valeur Y à une distance d et selon un angle q.
L’ostéoporose est une maladie diffuse du squelette apparaissant progressivement avec l’âge et entrainant une fragilité osseuse. Elle est donc propice aux fractures induites par de faibles énergies [1]. Ces fractures induisent une morbidité et une surmortalité importantes. Les conséquences d’une fracture vertébrale peuvent être graves : douleurs rachidiennes chroniques, perte de taille et cyphose [2], décompensation de pathologies cardiovasculaires et respiratoires. Les fractures vertébrales augmentent la mortalité surtout au cours de la première année mais également au-delà [2]. Le nombre estimé de fractures vertébrales en 2000 en Europe était de 490000 et de 1416000 dans le monde [3]. La résistance osseuse dépend de deux facteurs : la densité osseuse et la qualité osseuse. La densité minérale osseuse (DMO) est déterminée par la masse osseuse maximale acquise à la fin de la croissance et par la perte osseuse, et est exprimée en grammes de minéraux par surface ou volume. La masse osseuse maximale est donc également importante dans la genèse de l’ostéoporose, comme la perte de masse osseuse. La DMO est couramment utilisée pour évaluer le risque de fracture associé à l’ostéoporose car c’est un outil facilement accessible [1]. L’ostéoporose est définie par un T-score de DMO inférieur à -2,5 DS en dessous du pic de masse osseuse [4]. Bien que la DMO soit corrélée au risque de fracture pour les valeurs définies par l’OMS, de nombreux patients atteints de fractures à faible énergie ont une DMO dans des valeurs classant en ostéopénie ou normalité [5, 6, 7]. Dans la définition actuelle de l’ostéoporose apparaît la notion de qualité osseuse.
Plusieurs éléments constituent la qualité osseuse comme la micro-architecture, le renouvellement osseux, l’accumulation de micro-fissures et la minéralisation du tissu ostéoide [1]. L’ostéoporose est associée à la modification de cette micro-architecture. L’ajout de critères de qualité osseuse pourrait faciliter la prédiction des patients à risque de fracture [8]. Il existe plusieurs méthodes in vivo pour évaluer directement la microarchitecture osseuse trabéculaire telles que le scanner quantitatif (QCT), le scanner quantitatif périphérique à haute résolution (HR pQCT) ou l’IRM. Mais le QCT et l’HR pQCT ne peuvent être utilisés en routine pour raison d’accessibilité. Les analyses de texture osseuse semblent être un bon reflet de la microarchitecture 3D trabéculaire [9, 10, 11]. Plusieurs mesures de texture existent : analyse fractale, analyse statistique (matrices de cooccurrence en niveaux de gris, matrices de longueur de plage en niveaux de gris) ou trabecular bone score (TBS) utilisé avec DXA [12]. La texture d’une image donne des informations sur l’agencement des différentes tonalités des pixels ou voxels de l’image [13], qui peut être extraite d’une radiographie simple, d’un scanner ou d’une IRM (donc d’imagerie accessible). Elle fournit des informations sur la nature fine ou grossière des composants ou formes de l’image. Ainsi, l’altération microarchitecturale de l’os spongieux, modifie les paramètres de texture. Olea medical a développé un nouveau logiciel pour l’analyse de texture. Le but de notre étude était d’évaluer les paramètres de texture vertébrale à l’aide du logiciel Olea, mesurés sur IRM 7 tesla et sur tomodensitométrie, à partir de pièces anatomiques et de les comparer aux données biomécaniques de résistance osseuse et à la DMO.
Matériel et méthodes
Pièces vertébrales :
Vingt-quatre vertèbres lombaires (L2, L3, L4) provenant de 8 donneurs humains (âge: 82 (9) ans) ont été prélevées au laboratoire d’anatomie dans les 10 jours suivant le décès, conformément aux réglementations d’éthique. Le consentement du donneur à des fins de recherche a été obtenu avant le décès. Aucune information n’était disponible sur la cause du décès ou des maladies antérieures. Tous les échantillons ont été soigneusement préparés avec retrait des muscles et des ligaments. Les échantillons ont été conservés à -20°C. Tous les échantillons ont été décongelés à température ambiante durant 6 heures avant les analyses. Ainsi, un seul cycle de décongélation était nécessaire. Après décongélation, tous les échantillons ont d’abord été analysés en IRM 7 tesla, puis en tomodensitométrie, enfin en absorptiométrie bi-photonique aux rayons X (DXA) pour déterminer la DMO et comprimés pour déterminer les données biomécaniques.
Analyse tomodensitométrique :
Chaque vertèbre a été analysée avec un scanner GE Light Speed VCT 64 (petit FOV, épaisseur de coupe 0,625 x 0,625 mm, 365 mA, 120 kV).
Analyse DXA :
Les échantillons ont été positionnés de façon similaire à ce qui est habituellement fait in vivo. Les échantillons ont été placés dans un récipient rempli avec 15 cm d’eau pour simuler les tissus mous. Les mesures DXA ont été effectuées avec un appareil Prodigy Scanner (GE/Lunar ; GE Medical Systems, Milwaukee, WI, USA).
Analyse IRM :
Tous les échantillons ont été analysés en IRM à très haut champ (UHF : ultra high field) (MAGNETOM 7T, Siemens Medical System, Erlangen, Allemagne). Après l’acquisition des images de repérages (scout) dans les trois plans, un shim actif B0 localisé a été réalisé en utilisant une procédure de shim de second ordre fournie par le fabricant. Des séquences en écho de gradient en haute résolution pour chaque spécimen ont été acquises dans les plans axial et sagittal avec les paramètres suivants : champ de vue = 140 × 140 mm2 ; matrice = 832 × 832 ; temps de répétition = 20 ms ; temps d’écho = 6 ms ; angle de bascule = 15° ; nombre de répétitions = 3 et aucun espace entre les coupes. Des épaisseurs de coupes de 0,4 mm et 0,5 mm ont été utilisées pour l’acquisition dans les plans axial et sagittal respectivement.
Essais mécaniques :
Une couche de résine époxy a été apposée sur les plateaux de chaque vertèbre. La résine a permis de s’assurer que les vertèbres soient bien dans l’axe vertical du dispositif de compression. Les vertèbres ont ensuite été placées entre les mors d’une machine d’essai de compression de matériaux comme décrit précédemment [14] (Instron 5566, Instron, Canton, MA, USA). Chaque échantillon a été comprimé jusqu’à fracture (rupture) à une vitesse de 5 mm/min [15]. La force à rupture en Newton (N) et la contrainte à rupture en Mégapascal (MPa) ont été recueillies.
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Table des matières
I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME
