Multi-scale study of the mechanical behaviour of bearing and bone-bearing bones : towards personalization of FE human models
Approche multi-échelle du comportement mécanique des os porteurs et non porteurs : vers une personnalisation des modèles numériques EF de l'être humain
Résumé
The human skeleton aims at participating to the locomotor system, protecting and serving as brackets for
the internal organs. To ensure the mechanical stiffness of the entire body, the cortical bone can be found in
every part of the skeleton. A dynamic process occurs throughout the life and is named bone remodelling. This
process adapts the cortical bone architecture and the shape of bones according to their functions. Due to its
complexity, bone remodelling can defect in the elderly and weakens bones. This thesis studies the bearing and
non-bearing long human bones by focusing on the humerus and femur. A survey of the state of the art, detailed
in the first chapter, reveals several lacks. First, the femur is widely investigated compared to the other bones and
this unbalance creates a lack of data for the other bones. Therefore, inputs for numerical human models come
from deprecated and contradictory studies where the extra-individual differences impact the trends. Second,
architectural studies are mainly limited to in-plane assessment whereas the vascular network is complex and
needs more robust analyses. Thus, the second chapter describes an innovative method to 3D assess the cortical
vascular network from tomographic data. This Python script automatically detects canals, connectivity and
Bone Multicellular Units (BMUs), cradle of the bone remodelling activity. Then, 77 samples from left and
right femurs and humeri of ten human cadavers are scanned and analysed using this method. As this method
provides numerous novel features of the cortical architecture, tensile and indentation tests are also carried out
in order to understand and exhibit the impact of the architecture on the mechanical behaviour. Hence, all the
scanned samples are tested and available for statistical analysis. So as to identify global trends, humerus and
femur are compared using different statistical tests. Likewise, the bias impact is also investigated. Finally, a
correlation study followed by a regression study is described so as to provide polynomial functions in order to
be used to predict the mechanical behaviour from an architectural study.
Le squelette humain a pour fonction de protéger les organes internes tout en participant au système de
locomotion. Afin d’en assurer la rigidité mécanique, l’os cortical est présent dans toutes les parties du squelette.
Le remodelage osseux, processus dynamique, est actif tout au long de la vie. Il permet à l’os cortical d’adapter
sa géométrie et son architecture interne en fonction des contraintes qui lui sont appliquées. Étant un processus
complexe, le remodelage osseux est amené à dysfonctionner chez les personnes âgées et fragiliser leurs os. Ainsi,
cette thèse étudie les os porteurs et non porteurs humains en se concentrant sur le fémur et l’humérus. La
revue de la littérature, effectuée dans le chapitre 1, met en évidence plusieurs verrous scientifiques à résoudre.
En effet, pour diverses raisons pratiques, le fémur est très largement étudié, délaissant l’étude des autres os.
Cela a pour effet d’en impacter les données matériaux utilisées par les modèles numériques du corps humain,
souvent extraites d’études très anciennes et obsolètes dont les sujets humains diffèrent. De plus, les études
architecturales sont, pour la plupart, limitées à des analyses en 2D et ne sont pas adaptées par rapport à
l’architecture osseuse complexe. Par conséquent, le second chapitre décrit une méthode innovante capable
d’analyser et de quantifier l’architecture en 3D à partir de scans tomographiques. Les canaux, connectivités et
BMUs, berceaux du remodelage osseux, sont automatiquement détectés. 77 échantillons, prélevés sur humérus
et fémurs gauche et droit, sont scannés et quantifiés à partir de cette méthode. Étant donné que de nombreuses
caractéristiques, jamais mesurées auparavant, sont obtenues, des essais de traction et d’indentation sont effectués
afin de comprendre et de mettre en évidence l’impact de l’architecture sur le comportement mécanique. Par
conséquent, l’intégralité des échantillons, précédemment scannée, est testée. Dans l’objectif d’extraire des
tendances générales, les humérus et fémurs sont comparés suivant différents tests statistiques. De même, l’impact
de la latéralité est aussi étudié. Pour terminer, une étude de corrélation, suivie d’une étude de régressions, est
effectuée afin de fournir des fonctions polynomiales destinées à prédire le comportement mécanique à partir
d’une simple étude architecturale.
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