Mechanics of osteoporotic trabecular bone

Mécanique du tissu osseux trabéculaire ostéoporotique

¹ LTDS, UMR 5513, École Centrale de Lyon, 36 Av. Guy de Collongue, 69134 Écully, France
² MSSMAT, UMR 8579, École Centrale Paris, Grande Voie des Vignes, 92295 Chatenay-Malabry, France
³ B2OA, UMR 7052, Université Paris Diderot, 10 avenue de Verdun, 75010 Paris, France
⁴ UIC Department of Mechanical Engineering, University of Illinois at Chicago, 842 West Taylor Street, Chicago, IL 60607, USA

^a Corresponding author: thierry.hoc@ec-lyon.fr

Received: 10 February 2012
Accepted: 19 September 2012

Abstract

Osteoporosis is a disease characterized by a loss of bone density and an altered bone architecture. These modifications lead to an increased risk factor for bone fracture, particularly of the femoral neck. This disease can be explained by a disorder in the bone remodeling process which is triggered by the apparition of micro-cracks within the bone. According to Frost’s theory [1], these micro-cracks appear for a specific local strain threshold. Thus, the knowledge of the microarchitecture and quality of trabecular bone is essential to determine this local strain threshold. This paper studied the mechanical trabecular bone behavior of 43 patients diagnosed as osteoporotic whose femoral heads were replaced by hip prosthesis. From each patient, a cylinder-shaped of trabecular bone samples was cored. Each sample was scanned by X-ray micro-tomography before a compression test in order to reconstruct a reliable Finite-Element (FE) model of the bone architecture in Abaqus. The force-displacement curves were recorded for all the samples and calibrated by the experimental responses. The force-displacement numerical curves were adjusted to the experimental ones, by modifying the tissue microscopic mechanical behavior. This process leads to the determination of the local strain threshold responsible for triggering the bone remodeling process.

Résumé

L’ostéoporose, caractérisée par une fragilité excessive du squelette, est due à une diminution de la masse osseuse et à l’altération de la microarchitecture osseuse. Elle constitue un facteur de risque important dans les fractures osseuses dont la plus répandue est celle du col du fémur. L’ostéoporose est liée à un déséquilibre du processus de remodelage. Ce déséquilibre peut être induit par l’apparition des micro-fissures au sein de l’os. Selon la théorie de Frost [1], ces micro-fissures apparaissent pour un seuil de déformation locale donné. La détermination de ce seuil nécessite la connaissance de la micro-architecture et de la qualité de l’os trabéculaire. Une campagne expérimentale de test de compression sur des échantillons prélevés dans la tête fémorale a été menée sur des patients ostéoporotiques. L’ensemble des échantillons a été micro-scanné, afin de procéder à une reconstruction volumique en éléments-finis (EF) de l’os via le logiciel de traitement d’image Avizo. Le modèle EF proposé a permis de simuler numériquement l’essai de compression sous Abaqus. Une procédure d’identification du comportement mécanique local basée sur la courbe force-déplacement expérimentale a été mise en place. Les paramètres mécaniques locaux identifiés ont permis de déterminer le seuil de déformation local responsable de l’apparition des micro-fissures.