Lorsque vous cassez un os pour la première fois, le corps envoie une réponse inflammatoire et les cellules commencent à former un hématome autour de la zone blessée. En une semaine ou deux, ce caillot de sang est remplacé par un matériau mou appelé cal qui forme une sorte de pont qui maintient les fragments ensemble. Au fil des mois, le cal durcit en os et le processus de guérison est terminé.
Mais parfois, ce pont entre les os ne se forme pas, créant une pseudarthrose. Chez les patients présentant des fractures des os longs (du tibia, de la fibia ou du fémur, par exemple), les pseudarthroses peuvent être particulièrement invalidantes, affectant gravement leur qualité de vie et leur capacité à travailler. Pour les chirurgiens, les pseudarthroses peuvent être difficiles à diagnostiquer car elles nécessitent des évaluations subjectives des radiographies prises sur une période de six à neuf mois. La difficulté réside dans le fait que l’os pouvait guérir, très lentement, auquel cas une intervention supplémentaire peut ne pas être nécessaire. Mais si ce n’est pas la guérison, le patient a enduré des mois de douleur et d’activité limitée, seulement pour faire face à une intervention chirurgicale supplémentaire.
Dans un monde parfait, les chirurgiens auraient un outil qui pourrait identifier les pseudarthroses plus tôt.
L’objectif final est d’économiser du temps, de l’argent et de la frustration aux patients. Parce que si le chirurgien revient vers vous et dit que vous avez une pseudarthrose cliniquement diagnostiquée et que vous avez besoin d’autres interventions, cela retardera encore plus votre capacité à reprendre votre vie. »
Brendan Inglis, étudiant diplômé au Département de génie mécanique et de mécanique, Université Lehigh
Inglis est l’auteur principal d’un article récemment publié dans Rapports scientifiques qui montre comment la double nature de la zone de cicatrisation, à la fois matériau souple et matériau dur, détermine la rigidité mécanique de l’ensemble de l’os. Le travail s’appuie sur la recherche dans le laboratoire de Hannah Dailey, professeure adjointe de génie mécanique et de mécanique au PC Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh. Auparavant, l’équipe a montré la viabilité de l’utilisation d’un test biomécanique virtuel non invasif basé sur l’imagerie pour évaluer la progression de la guérison des fractures. De plus, l’équipe a développé et validé une méthode d’attribution des propriétés des matériaux pour les os ovins intacts à l’aide de tests biomécaniques virtuels.
Le problème, dit Inglis, était que les tests virtuels ont surestimé les propriétés mécaniques de l’os au début du processus de guérison, car certaines parties du cal sont encore trop molles pour être modélisées comme de l’os.
« Lorsque nous avons appliqué ce modèle au tibia fracturé d’un ovin, essentiellement la jambe inférieure d’un mouton, les propriétés mécaniques ne correspondaient pas », dit-il. « Notre hypothèse était que tous les tissus mous et le cartilage impliqués dans la guérison d’un membre fracturé étaient surestimés, ce qui signifie que le cal se voyait attribuer des propriétés trop rigides. »
En d’autres termes, le modèle précédent ne différenciait pas avec précision l’os et le cal. Si le cal était traité comme étant plus rigide qu’il ne l’était en réalité, cela pourrait impliquer que l’os était plus avancé dans le processus de guérison qu’il ne l’était réellement.
« Le cal est un tissu très hétérogène, ce qui signifie qu’il contient plus d’une valeur de densité et de rigidité », explique Inglis. « Donc, si vous allez modéliser un membre opéré, vous ne pouvez pas tout traiter comme de l’os dense. Vous devez trouver un moyen de traiter différemment le cal. Mais les propriétés mécaniques du cal ne sont toujours pas bien comprises, et il n’y avait rien dans la littérature qui établisse le point limite entre le moment où vous commencez à traiter la zone de guérison comme un tissu mou et le moment où vous commencez à la traiter comme un os. »
Pour déterminer ce seuil, Inglis et son équipe ont travaillé avec des collaborateurs de l’Unité de recherche musculosquelettique (MSRU) de l’Université de Zurich. Les chercheurs suisses ont utilisé un testeur de torsion pour mesurer la rigidité en torsion du tibia de mouton excisé, et l’équipe de Lehigh a utilisé les tomodensitogrammes et les données correspondants pour reproduire virtuellement ces tests biomécaniques.
Inglis explique que la luminosité des pixels dans les scintigraphies osseuses CT est en corrélation avec la densité. Plus le pixel est brillant, plus cette zone osseuse est rigide.
« Vous pouvez imaginer que d’un pixel noir au pixel blanc le plus brillant, il existe tout un éventail de valeurs. Donc, essentiellement, ce que nous avons fait a été de trouver le seuil en dessous duquel les pixels deviennent plus sombres et doivent être traités comme très doux. Nous avons postulé qu’avant Selon cette étude, ces pixels plus sombres étaient calibrés trop haut et supposés être trop rigides dans le modèle. »
À l’aide d’un modèle de matériau par morceaux, ils ont optimisé un point de coupure qui sépare les tissus mous de l’os.
« Lorsque vous obtenez ce seuil de densité correct, les modèles virtuels peuvent reproduire avec précision la rigidité que vous obtenez à partir d’un test biomécanique au banc de ce même os », dit-il. « Une fois que vous avez un modèle validé par rapport à ce qui a été fait sur un banc d’essai, vous pouvez commencer à prédire différentes choses sur le comportement des os en cours de guérison. Et plus nous comprenons pourquoi le processus de guérison échoue, meilleures sont nos chances de créer un outil qui pourrait un jour informer les chirurgiens. Ce modèle nous donne donc un pied pour traduire un jour ce travail dans la clinique.
Pour illustrer leurs découvertes, Inglis a créé une application qui permet à d’autres personnes sur le terrain d’interagir avec les données.
« En tant que chercheurs, nous lisons souvent un excellent article et tombons sur une valeur qui nous intéresse, et la citation nous pointe simplement vers un autre article, qui vous pointe vers un autre article, et cela devient donc tout cet effet de trou de lapin, » il dit. « Cette application est un bon moyen de visualiser ce que nous avons fait et de l’intégrer à votre propre recherche. Je pense que dans un monde idéal, il y aura plus de partage d’informations comme celle-ci, car en fin de compte, c’est le but de faire de la recherche. »
