DISCUSSION
Pour appuyer l’idée que les propriétés de distribution des contraintes trabéculaires de l’os spongieux expliquent la fragilité des vertèbres T12-L1, nous avons étudié la variation de l’ampleur et de la variabilité des contraintes trabéculaires (ainsi que les paramètres architecturaux) dans l’os spongieux le long de la même colonne vertébrale., Nous avons démontré que les distributions de stress trabéculaires causées par une compression uniforme du tissu spongieux et les paramètres microstructuraux spongieux sont associés au niveau de la colonne vertébrale dans l’os vertébral humain, les résultats étant significatifs pour les échantillons transversaux seulement. Conformément à notre observation préliminaire , lorsque la moyenne a été établie sur deux échantillons de la même vertèbre, le maximum d’amplification moyenne de la contrainte de cisaillement trabéculaire et le minimum de BV/TV moyens ont été trouvés dans le tissu spongieux de l’emplacement T12 (tableau 1)., L’amplification minimale BV / TV et maximale de la contrainte de cisaillement trabéculaire dans le tissu des vertèbres T12 concorde avec les rapports selon lesquels l’incidence la plus élevée de fractures vertébrales est observée dans les vertèbres T12 et L1 et suggère que l’os spongieux des emplacements critiques T12-L1 est intrinsèquement faible par rapport à l’os spongieux des autres vertèbres.
Lorsque les échantillons SI et TR ont été analysés séparément, nous n’avons pas trouvé, contrairement à notre hypothèse initiale, que la structure osseuse spongieuse de l’emplacement antérieur central des corps vertébraux était différente entre les niveaux de la colonne vertébrale., Cependant, nous avons constaté que l’architecture de l’os spongieux des parties postéro-latérales du corps vertébral varie avec le niveau de la colonne vertébrale de telle sorte que les valeurs minimales de BV/TV et MIL3 (longueur d’interception moyenne dans la direction tertiaire) et la valeur maximale de l’amplification de cisaillement correspondent au niveau T12., Étant donné que les spécimens de SI ont été creusés à partir de la position antérieure dans la direction supero-inférieure et que les spécimens de TR ont été creusés à partir des positions postéro-latérales dans une direction transversale, les différences entre les spécimens de SI et de TR pourraient être dues à l’anisotropie de l’os spongieux ou à des, Cependant, les paramètres microstructuraux sont indépendants de l’orientation de l’échantillon, ce qui indique que la dépendance de la microstructure au niveau de la colonne vertébrale observée pour les échantillons TR est due à la variabilité intra-vertébrale des propriétés des tissus spongieux. Les fortes relations observées entre l’amplification de la contrainte et BV/TV (Figure 5) pour les échantillons SI et TR suggèrent que l’amplification de la contrainte suivrait des tendances similaires à celles de BV/TV pour d’autres combinaisons d’orientation de l’échantillon et de localisation à l’intérieur des vertèbres., Ainsi, nous soupçonnons que l’amplification des contraintes dans la direction supero-inférieure suivrait des tendances similaires à celle dans la direction transversale pour les emplacements postéro-latéraux de la vertèbre. Par conséquent, bien que les valeurs du module et des contraintes soient différentes entre la charge super-inférieure et la charge transversale d’un spécimen à partir du même emplacement, des discussions valables concernant les différences relatives entre les emplacements intra-vertèbres et entre les vertèbres peuvent être faites., La capacité explicative de MIL2 pour la dépendance significative des propriétés de contrainte et de rigidité au niveau de la colonne vertébrale suggère que les processus affectant l’épaisseur trabéculaire et l’espacement dans la direction structurelle secondaire sont importants pour déterminer l’organisation structurelle des vertèbres à chaque niveau. La conversion de la géométrie trabéculaire d’une plaque à une tige serait l’un de ces processus., La transition en forme de plaque à en forme de tige a été notée dans d’autres situations à risque élevé de fracture , telles que le tibia proximal vieillissant, la crête iliaque des femmes pendant la période transménopausique et la crête iliaque des femmes présentant des fractures vertébrales répandues et ayant continué à perdre de l’os pendant trois ans . Étant donné que la résorption des trabécules dans leur direction la plus mince (c.-à-d. la résorption dans la direction MIL3) peut entraîner la déconnexion du réseau trabéculaire, il semble qu’une meilleure stratégie d’adaptation consiste à retirer le matériau des directions épaisses., Cependant, la réduction de MIL2 pourrait éventuellement réduire la résistance de la structure au flambement ainsi qu’aux charges hors axe. De plus, les structures en forme de plaque ont des directions de flambage plus prévisibles. Les changements dans la direction de l’épaisseur secondaire de l’os spongieux rendraient le flambage de la structure plus probable dans des directions qui seraient normalement évitées., D’autres études sur ce sujet devraient se concentrer sur les paramètres qui quantifient la géométrie anisotrope des trabécules simples tels que l’indice de modèle de structure qui a été introduit pour quantifier la façon dont les trabécules en forme de plaque ou de tige se trouvent dans un volume d’os spongieux .
Fait intéressant, lorsque l’on considère le rapport SI / TR des paramètres pour une vertèbre donnée, la variation de l’architecture trabéculaire et les contraintes au niveau de la colonne vertébrale sont telles que les propriétés des tissus spongieux deviennent plus homogènes dans le centre de la T12-L1 que dans les autres vertèbres., Une étude clinique a rapporté que la dispersion des valeurs de niveau de CT-gris des vertèbres L3-L4 pourrait séparer les femelles avec fracture de celles sans fracture mieux que la densité minérale osseuse moyenne (DMO) . Conformément à notre constatation que les vertèbres provenant d’endroits plus fragiles (T12-L1) ont un tissu spongieux plus homogène, la variabilité des valeurs de tomodensitométrie (pour une DMO donnée) dans l’étude de Dougherty était plus faible dans le groupe avec fracture que dans celui sans fracture., Cependant, avec nos récentes découvertes selon lesquelles l’augmentation de la variabilité intra-vertébrale des propriétés des tissus spongieux est associée à une diminution de la résistance des vertèbres entières , ces données indiquent, conformément aux rapports précédents , que les vertèbres T12-L1 n’ont pas moins de résistance que les autres vertèbres et suggèrent en outre que des facteurs mécaniques autres que la résistance uniaxiale sont impliqués dans la plus grande fragilité des vertèbres T12-L1.,
Des calculs par éléments finis dans d’autres études ont estimé que l’os spongieux de l’ostéoporose était plus rigide que dans les os non ostéoporotiques dans la direction de charge prédominante pour une masse osseuse donnée . L’homogénéité accrue de l’os spongieux dans T12-L1 peut être due à un effort accru pour maintenir la rigidité de l’os entier dans la direction de chargement prédominante. Les donneurs de la présente étude étaient âgés et, bien que n’ayant pas été examinés pour l’ostéoporose, avaient probablement une faible masse osseuse par rapport aux individus plus jeunes., En cas de perte osseuse, un effort pour maintenir la rigidité osseuse dans une direction de chargement donnée nécessiterait une réorganisation de la structure osseuse. Cela peut avoir plusieurs conséquences concernant les fractures osseuses. Le maintien de la rigidité dans la direction de chargement primaire (nominale) se ferait au prix d’une rigidité réduite dans d’autres directions de chargement et des charges « d’erreur” dans des directions de chargement non fréquentes seraient une source potentielle de fragilité comme suggéré précédemment . Ces charges d’erreur peuvent inclure les charges de flexion peu fréquentes mais importantes, en particulier celles associées au levage d’objets lourds .,
Alternativement, une suradaptation de la rigidité osseuse entière par homogénéisation des propriétés osseuses spongieuses pourrait provoquer une augmentation de la fragilité structurelle des niveaux de T12-L1, ce qui réduit leur tolérance aux dommages progressifs, même pour la même direction de chargement. Les données de la littérature concordent avec l’idée que la résistance vertébrale et la résistance à la fatigue (liées à la tolérance aux dommages progressifs) sont des propriétés distinctement différentes et concurrentes ., Une défaillance progressive liée à des dommages est particulièrement pertinente pour les fractures vertébrales en ce sens que i) les vertèbres perdent une partie de leur rigidité et de leur résistance lorsqu’elles sont chargées au-delà de leur charge ultime , mais conservent une rigidité et une résistance importantes lorsqu’elles sont chargées une deuxième fois dans des expériences de laboratoire, ii) les fractures vertébrales cliniques semblent progresser lentement ., Si l’os n’est pas fragile, les processus biologiques peuvent réparer les dommages causés par une surcharge et retarder le développement d’une fracture cliniquement observable alors qu’une vertèbre trop rigide, forte mais aussi fragile développera rapidement une fracture clinique sévère si elle est surchargée. Nous proposons que l’homogénéité du matériau au niveau intermédiaire (c.-à-d. les propriétés apparentes de l’os spongieux) et, par conséquent, la fragilité structurelle des vertèbres est un facteur potentiellement important de la fragilité de la colonne vertébrale.
Certaines limites doivent être notées., Les modèles FE ont utilisé des propriétés homogènes et isotropes du matériau. Le module apparent calculé à partir des modèles FE est affecté par les distributions de module de tissu dur (élément) déterminées par les distributions de niveau de gris et devrait affecter le calcul des distributions de contraintes trabéculaires. Cependant, il n’existe actuellement aucune méthode établie pour convertir les valeurs de niveau de gris en modules de tissu dur et la variabilité des modules de tissu dur dépend des formules utilisées dans la conversion., Nos analyses suggèrent que la variation du module apparent due à la variabilité du module seulement est faible dans l’os spongieux vertébral humain lorsque jusqu’à une relation de troisième ordre est utilisée pour convertir les niveaux de gris en modules d’éléments . De plus, la variation des niveaux de gris entre les spécimens était faible et aucune dépendance significative des paramètres de niveau de gris sur le niveau de la colonne vertébrale n’a été observée dans la présente étude. La valeur du module homogène du tissu dur n’a aucun effet sur les conclusions, car les modèles sont mis à l’échelle linéairement avec cette valeur., Ce sont les mêmes conditions utilisées dans les études où nos observations qui ont motivé cette étude ont été faites . L’utilisation de propriétés homogènes devrait avoir des effets mineurs sur nos résultats, mais pas affecter nos conclusions sur l’os spongieux.
Cette étude s’est également limitée à une étude du tissu spongieux qui a été physiquement extrait des vertèbres de certaines régions. Il y avait plusieurs raisons pour faire cela par opposition à l’analyse d’un corps vertébral entier ou d’un centrum. Premièrement, notre observation initiale et notre hypothèse impliquaient la qualité des tissus plutôt que la qualité de l’os entier., Deuxièmement, nous ne voulions pas compromettre la résolution des images en élargissant la portée du travail. Bien que certaines études aient considéré l’analyse FE basée sur µCT des corps vertébraux humains, la résolution de l’image devait être moins qu’optimale et les analyses étaient limitées à quelques vertèbres, probablement en raison des coûts de calcul . Des analyses FE basées sur Micro-CT de corps vertébraux entiers humains utilisant des voxels suffisamment petits (~30µm) ont commencé à apparaître dans des travaux plus récents , cependant, ces études sont limitées aux niveaux de colonne vertébrale qui ont des vertèbres relativement petites., L’inclusion des plus grandes vertèbres dans l’étude nécessiterait des tailles de voxels nettement plus élevées dans un système à faisceau conique pour maintenir une qualité d’image cohérente entre les spécimens de différents niveaux de colonne vertébrale dans le travail actuel. Avec les progrès des technologies d’imagerie, il sera possible d’étendre les travaux actuels pour inclure des corps vertébraux entiers dans les futures études. Une troisième raison pour carotter physiquement les échantillons d’os spongieux était notre intention d’examiner les propriétés mécaniques expérimentales de ces échantillons en relation avec le niveau de la colonne vertébrale. Ces études sont en cours.,
Les échantillons prélevés dans la région antérieure étaient dans la direction supero-inférieure tandis que les échantillons prélevés dans les régions postéro-latérales étaient dans la direction transversale. La raison originale de faire ceci était d’étudier l’anisotropie de la force d’os spongieux et des distributions de tension en relation avec le niveau de colonne vertébrale. En raison des essais mécaniques prévus, les échantillons étaient cylindriques et les directions radiales n’ont pas pu être enregistrées avec précision. Cela a permis l’analyse FE de chaque région dans une seule direction., Certaines généralisations pourraient être faites en fonction des relations trouvées entre la microstructure et les paramètres FE pour le chargement superoinférieur et transversal. Cependant, une étude plus approfondie des propriétés régionales vertébrales est nécessaire pour mieux comprendre la nature de l’interaction anisotropie-site anatomique.
En résumé, nous avons démontré que le tissu spongieux T12-L1 possède des propriétés uniques qui soutiennent la forme la plus générale de notre hypothèse., Nous avons également constaté que la variation des propriétés de l’os spongieux avec le niveau de la colonne vertébrale dépend du site à l’intérieur d’une vertèbre, ce qui entraîne des propriétés tissulaires spongieuses plus homogènes pour les vertèbres T12-L1 que pour les autres vertèbres. Pris ensemble, les différences régionales dans la microstructure trabéculaire et l’amplification des contraintes entre les niveaux de vertèbre peuvent expliquer, en partie, l’incidence plus élevée de l’effondrement vertébral aux niveaux critiques T12-L1.