Analyse de la microarchitecture osseuse

Analyse de la microarchitecture osseuse

INTRODUCTION

Le traitement chirurgical de la coxarthrose a été développé depuis plus de 60 ans et repose sur un traitement non conservateur, l’arthroplastie totale de hanche.

Cette chirurgie s’est développée considérablement, en raison de l’amélioration des techniques, de la qualité des implants employés, conjointement au vieillissement de la population.

En France, en 2010, plus de 140000 prothèses totales de hanche ont été posées selon l’Agence Technique de l’Information sur l’Hospitalisation. Le gold standard est représenté par les prothèses cimentées, qui ont prouvé leur efficacité depuis de nombreuses années, et les premiers prototypes développés par Charnley (1) (2).

Leur point faible repose sur l’interface de mobilité métal-PE, et les débris d’usures de polyéthylène responsables d’ostéolyse et de descellement prothétique à long terme (3).

S’est alors développé le concept de prothèse sans ciment, avec une double fixation ; primaire mécanique, puis secondaire biologique avec intégration de la prothèse à l’os trabéculaire (4), nous permettant d’utiliser de nouveaux couples de frottements, excluant le polyéthylène et donc les problèmes d’usure et d’ostéolyse associés, comme le couple céramique/céramique (5) ou métal/métal (6).

Ces implants ont montré une survie ainsi que des résultats satisfaisants, comparables aux prothèses cimentées. Néanmoins, sont apparus d’autres problématiques, telles que le descellement aseptique à long terme (7) (8).

En effet, l’utilisation de cupules sans ciment avec metal-back entraine des modifications des contraintes au niveau du cotyle. Celles-ci sont plus importantes en périphérie du cotyle (9), et moins importantes au niveau du toit du cotyle (10), exposant à un stress shielding de l’os trabéculaire (11) (12) (13) (14). Il est décrit une diminution du capital osseux en regard de 2 la zone 2 de De Lee et Charnley (15) (16). A long terme, les conséquences sont une raréfaction de la trame osseuse en zone portante, compliquant les reprises itératives (15) (17).
Ces problématiques ont poussé les industriels à développer de nouveaux implants cotyloïdiens sans ciment sans métal back rigide, tel le cotyle RM Classic® (Mathys, Suisse) (polyéthylène non cimenté) possédant une élasticité proche de celle de l’os. Cet implant a fait l’objet de plusieurs travaux, et montre une survie à 20 ans de plus de 94% (18) (19).
Ses propriétés mécaniques lui permettraient par l’absence de métal back une répartition plus harmonieuse de l’ensemble des contraintes. Nous utilisons, dans le service, l’évolution de cet implant, le cotyle RM-Pressfit® polyéthylène non cimenté réalisé en UHMW- PE (ultra high molecular weight polyethylene), dont les résultats à moyen terme semblent excellents, et ont fait l’objet de plusieurs publications récentes (20) (21) (22).

MATERIEL ET MÉTHODES

 Matériel

 Population

Nous avons inclus, entre juillet 2010 et décembre 2011, tous les patients opérés d’une prothèse totale de hanche (PTH) de première intention avec mise en place d’un implant cotyloïdien de type RM Pressfit, avec un couple de frottement alumine-PE (polyéthylène). Le critère d’exclusion était la pose de l’implant lors d’une reprise de prothèse totale de hanche.
Au total, nous avons inclus 46 hanches chez 44 patients, et avons réalisé un suivi clinique et radiologique régulier pendant 5 ans.
Il y avait 24 femmes (55%) et 20 hommes (45%), d’âge moyen 71,9 (61-89) ans. Nous avons opéré 22 hanches droites et 24 gauches.

 Technique opératoire

Tous les patients ont été opérés selon le même protocole, par huit chirurgiens séniors du service. La planification préopératoire permettait de prévoir la taille des implants. La voie d’abord utilisée était une voie postéro-latérale de Moore. L’implant cotyloïdien prothétique était impacté en press-fit après fraisage de l’acétabulum, conformément aux repères anatomiques habituels (U radiologique, position des cornes postérieures et antérieures). La stabilité de l’implant était testée en peropératoire.

 Méthode

 Suivi clinique

Le recueil des données cliniques était réalisé par chaque opérateur en préopératoire, à 6 mois, 1 an et 2 ans. Chaque consultation a été documentée par les scores subjectifs de Harris (HHS) (40) et de Postel-Merle d’Aubigné (PMA) (41).
Tous les patients ont été revus à un délai de 5 ans post-opératoire par un examinateur indépendant.
Le résultat fonctionnel était considéré comme excellent pour un score de Harris supérieur à 90, bon entre 80 et 90, moyen entre 70 et 80, et mauvais si inférieur à 70. De même, le résultat fonctionnel était apprécié sur le score de PMA comme excellent à 18, bon à 16, moyen à 15 et mauvais si inférieur.
Nous avons recensé toutes les complications survenues au cours du suivi.

 Analyse de la microarchitecture osseuse

En nous basant sur les travaux étudiant l’évolution de la trame osseuse autour de l’implant prothétique après pose de métal back, nous avons décidé de réaliser une analyse de texture de l’évolution de la trame osseuse en zone portante, au niveau de la zone 2 de De Lee et Charnley.

 Définition de la région d’intérêt (ROI)

La ROI utilisée était située en zone 2 de De Lee et Charnley. Elle a été sélectionnée sur la radiographie du bassin de face. Sa surface couvrait un carré de 512 pixels de côté (correspondant à la zone d’analyse utilisée par le logiciel d’analyse de texture). La région d’intérêt restait à distance de l’os sous-chondral et des corticales.

 Traitement des images

Afin de pouvoir comparer les images au cours du temps et nous affranchir des différences liées au diffusé des rayons X, à la différence d’échelle, ainsi qu’aux variations du calibrage des appareils radiographiques au cours du temps, nous avons procédé à un traitement numérique des images, nous permettant d’obtenir des images comparables entre elles pour chaque patient.
L’échelle des radios était modifiée directement sur le logiciel Synapse, à l’aide de calques numériques, nous permettant d’agrandir la tête prothétique à son diamètre connu (28mm ou 32mm).
Les images ont été ensuite traitées à l’aide du logiciel Photoshop® ; agrandies pour obtenir la ROI voulue (512*512px) centrée en zone 2 de De Lee et Charnley. Par égalisation des histogrammes, nous avons obtenu une même distribution des niveaux de gris sur les images.
A l’aide du logiciel, nous avons sélectionné la même région d’intérêt sur les radiographies successives de chaque patient.

 Analyse de texture

L’analyse de texture a utilisé des méthodes fractales dont les bases mathématiques ont été présentées (34) (35). Le logiciel utilisé a été développé au laboratoire GEROM (Groupe d’Etudes sur le Remodelage Osseux et les bioMatériaux – Dir. Pr. D. Chappard), CHU Angers pour le projet SCIMEX, projet industriel régional, dont la fiabilité a été prouvée en orthopédie par Mallard et al. (44).
Les paramètres suivants, calculés par géométrie fractale, ont été analysés :
– Méthode des gratte ciels (Dsky) : cette méthode a été initialement décrite par Caldwell (31).
Les pixels constituant une image peuvent être considérés comme des gratte-ciels dont la hauteur est représentée par le niveau de gris du pixel. Cette méthode permet d’analyser l’évolution de la microarchitecture du tissu osseux dans sa globalité.
– Méthode des couvertures dynamiques, utilisant l’un des trois éléments structurant balayant l’image : croix et vecteur (horizontal et vertical).
Cette méthode a été décrite par Peleg (45), en utilisant les propriétés de dilatation et d’érosion d’une image. Ces éléments structurants différents et orientés permettent une analyse séparée des composants longitudinaux, transversaux, et l’aspect en nid d’abeille de la microarchitecture du tissu osseux.

La dimension fractale obtenue avec la croix (D+) et celles obtenues avec un vecteur horizontal (D ─), ou vertical (D│) ont été déterminées. Le vecteur horizontal analyse les travées osseuses horizontales, le vecteur vertical les travées osseuses verticales, la croix teste l’aspect en nid d’abeille du réseau trabéculaire.

Complications per et post opératoires

Aucune complication peropératoire n’a été constatée.
Nous avons relevé 5 complications post-opératoires (13%).
Une patiente (2,6%) a présenté, à J13, au cours d’une chute mécanique, une fracture péri prothétique de type Vancouver B1, ayant nécessité une ostéosynthèse fémorale, associée à un changement de tige. L’implant cotyloïdien n’a pas nécessité de changement.

Les suites ont été favorables. Une patiente (2,6%) a présenté, à un mois, au cours d’une chute mécanique, une fracture péri prothétique de type Vancouver AG, traitée orthopédiquement, avec mise en décharge pour un mois. L’implant cotyloïdien n’a pas nécessité de changement. Les suites ont été favorables.
Deux patientes (5,2%) ont présenté une luxation prothétique. L’une a présenté une luxation postérieure précoce, à J7.

Celle-ci a été réduite sous anesthésie générale par manoeuvre externe, associée à une immobilisation dans une attelle de Zimmer pour 3 semaines.

Elle n’a pas présenté de récidive au dernier recul. L’autre a présenté une luxation postérieure à 20 mois post-opératoire, avec 3 récidives en moins de 2 mois. Elle a été réopérée à 23 mois, avec changement unipolaire, et mise en place d’un implant cotyloïdien à double mobilité.

 Résultats radiographiques

L’analyse radiographique a porté sur les 38 hanches vues au dernier recul. Seuls 21 patients présentaient un bilan complet, avec des radiographies numériques à chaque consultation.
L’angle de couverture externe préopératoire était en moyenne de 32,4°. Trois patients présentaient un défaut de couverture externe (VCE<25°). Quatre patients présentaient une couverture externe incomplète, après arthroplastie. Aucun d’entre eux ne présentait de défaut préopératoire de couverture externe.

 Analyse de texture

Nous avons analysé 21 dossiers radiographiques complets, de j0 à 5 ans, 6 dossiers présentant un contrôle radiographique manquant, 4 présentant 2 contrôles radiographiques manquants. Tous les patients analysés ont été revus à J0, 6 mois et 5 ans. Une patiente a été exclue de l’analyse, la qualité de ses radiographies étant jugée médiocre et ne pouvant pas être interprétée de manière adéquate (clichés radiographiques extraits d’une goniométrie).
Nous avons observé une augmentation statistiquement significative de la dimension fractale au cours du temps, pour toutes les mesures à 5 ans.
Cette augmentation était de 2,67% à 5 ans par la méthode des gratte-ciels. L’augmentation était statistiquement significative à 1 an, 2 ans et à 5 ans (figure 13).
Cette augmentation était de 2,44% à 5 ans par la méthode utilisant l’élément structurant croix. L’augmentation était statistiquement significative à 6 mois, 1 an, 2 ans et à 5 ans (figure 14). Cette augmentation était de 1,72% par la méthode utilisant le vecteur horizontal.

DISCUSSION

Résultats cliniques

Aujourd’hui, les résultats à long terme des prothèses totales de hanche de première intention, cimentées et non cimentées, sont de mieux en mieux connus avec des taux de survie importants (2). Ihle (19), dans son travail publié en 2008, rapporte 94% de survie à 20 ans pour le cotyle RM Classic®.
Récemment, les publications concernant l’implant RM Pressfit®, rapportent des taux de 100% de survie à 5 ans pour Erivan et Al (21) ainsi que Wyss et Al (22), et 96,8% à 4 ans pour Lafon et Al (20). Notre série rapporte des résultats similaires, avec 97, 4% de survie à 5 ans. Cet implant nécessite néanmoins d’être évalué à long terme.
Nos résultats cliniques sont comparables à ceux retrouvés dans la littérature, à savoir une amélioration statistiquement significative des scores fonctionnels ainsi que des douleurs après arthroplastie (2) (18) (19) (20) (21) (22).
Notre série présente néanmoins un taux non négligeable de complications (13%).
Deux patientes ont présenté une fracture péri prothétique en post-opératoire, portant sur l’implant fémoral. Ces fractures sont survenues chez des patientes plus âgées, avec plus de comorbidités que les autres patients de la série, ce qui peut expliquer une qualité osseuse moindre. Aucune documentation sur une éventuelle ostéoporose n’a été réalisée. Les suites ont été favorables chez ces deux patientes.

 Résultats radiologiques

Seulement 21 patients présentaient un dossier radiographique complet. Chez 17 patients, les clichés à 1 an ou 2 ans manquaient, et nous ont empêché de réaliser une analyse exhaustive.
Quatre hanches présentaient une couverture externe post-opératoire insatisfaisante (<80% de couverture).

Tous ces évènements sont survenus lors de la pose des 15 premiers implants de la série. Cela traduit la courbe d’apprentissage de maniement de l’ancillaire du cotyle RM Pressfit. En effet, le pressfit de cet implant est de 1,6mm. Afin de le positionner dans sa position adéquate, nous préférons, maintenant, fraiser une taille impaire au-dessus du diamètre nominal du cotyle définitif, pour éviter ces problèmes. Nous ne rencontrons pas de problèmes de mobilisation des implants en raison d’un pressfit insuffisant en utilisant ce procédé.

L’inclinaison moyenne de l’implant cotyloïdien dans le plan frontal était de 43,8°, pour une inclinaison recommandée à 40°. Nos résultats étaient comparables à ceux retrouvés pour le cotyle RM Pressfit et RM vitamys dans la littérature (20) (21) (22) (46). Huit hanches présentaient un cotyle vertical (inclinaison>50°), 5 un cotyle horizontal (inclinaison<40°). Ces défauts de positionnement sont survenus pour plus de la moitié lors de la pose des vingt premières arthroplasties, et traduisent probablement la courbe d’apprentissage nécessaire aux chirurgiens du service pour se familiariser avec l’ancillaire. Nous n’avons objectivé aucune mobilisation secondaire d’implant, ce qui confirme l’excellente tenue primaire de cet implant.

Justification de la méthode d’analyse de l’évolution de la trame osseuse

L’étude du remodelage osseux péri prothétique et du transfert des contraintes après arthroplastie totale de hanche (analyse de l’évolution de la trame osseuse et du réseau trabéculaire) s’est développée pour analyser les causes mécaniques de faillite des arthroplasties.
La méthode la plus utilisée fait appel à l’étude scannographique de la hanche. Cette méthode permet, de façon précise et fiable, d’étudier l’aspect de la trame osseuse et du réseau trabéculaire, en 3 dimensions, sur des coupes fines et précises. Parallèlement à ces travaux, Wright (9) a mis au point une méthode définissant la densité minérale osseuse en absorptiométrie biphotonique DXA (Dual energy X-ray Absorptiometry).

Cette méthode permet d’analyser de façon indirecte le comportement du réseau osseux (49), avec une fiabilité comparable à celle d’une analyse par TDM. Elle présente l’avantage d’être moins irradiante (environ 1000 fois moins).
Ces méthodes présentent l’avantage d’être standardisées. Les travaux de recherche, nombreux, ont permis d’analyser l’évolution et le comportement du tissu osseux péri prothétique. Elles restent toutefois difficiles à transposer utiliser en pratique clinique quotidienne, en raison de l’irradiation causée, ou du coût et de la complexité de leur mise en oeuvre.

 Interprétation de l’analyse fractale

Nous avons observé une augmentation statistiquement significative de la dimension fractale du tissu osseux péri prothétique, en zone 2 de De Lee et Charnley, au cours du temps, sur toutes les valeurs analysées.

Par la méthode des gratte-ciels, analysant la microarchitecture du tissu osseux, nous avons observé une augmentation de la dimension fractale statistiquement significative à 1 an, 2 ans et 5 ans.

L’élément structurant « croix », analysant l’aspect en nid d’abeille du réseau trabéculaire a montré une augmentation statistiquement significative de la dimension fractale à 6 mois, 1 an, 2 ans et 5 ans. Les éléments structurant « vecteur horizontal » et « vecteur vertical » ont montré une augmentation statistiquement significative à 1 an et 5 ans.
Ces résultats nous montrent, par augmentation de la dimension fractale, une complexification du réseau osseux trabéculaire au cours du temps dans la ROI étudiée. Cette complexification du réseau trabéculaire traduit un processus adaptatif de remodelage et de réorientation des axes trabéculaires selon la loi de Wolff d’adaptation du tissu osseux aux contraintes qui s’exercent sur lui (50).
L’os trabéculaire péri cotyloïdien est constitué de travées osseuses orientées dans les trois plans de l’espace, résultant de la biomécanique de la hanche, permettant une répartition des contraintes et des charges harmonieuses sur l’articulation de la hanche. Pour les os longs, les travées osseuses sont orientées préférentiellement dans un plan de l’espace, et les modifications d’organisation des travées s’observent principalement sur les travées verticales et horizontales. Ainsi, dans notre travail, nous avons mis en évidence des modifications plus importantes sur l’organisation en nid d’abeilles, et l’organisation globale du réseau trabéculaire, que sur les travées horizontales et verticales.

CONCLUSION

L’implant cotyloïdien RM Pressfit nous permet d’obtenir des résultats cliniques et radiologiques comparables aux autres implants cotyloïdiens utilisés dans les PTH, à moyen terme.
L’implant RM Pressfit, par sa biomécanique proche de celle de l’os, permet de préserver le ,tissu osseux. Notre méthode d’analyse a mis en évidence une complexification de la trame osseuse dans la zone de faiblesse des implants sans ciment au cours des 5 années suivant la pose de l’implant.

Par ce travail, nous confirmons les résultats très prometteurs de ce cotyle, à moyen terme. Cela permettrait de simplifier les reprises ultérieures, en diminuant le geste de reconstruction osseuse.
Cette hypothèse ne pourra être confirmée qu’en augmentant le recul, en élargissant la série et en continuant d’analyser la microarchitecture.

De plus, il serait intéressant de comparer cette série à une série de cotyle metal back, par analyse de texture, pour objectiver la meilleure conservation du stock osseux, avec le cotyle RM Pressfit, par rapport aux autres implants sans ciment.

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Table des matières

INTRODUCTION 
MATERIEL ET MÉTHODES
1. Matériel 
1.1. Population
1.2. Matériel prothétique
1.3. Technique opératoire
2. Méthode
2.1. Suivi clinique 
2.2. Suivi radiographique 
2.3. Analyse de la microarchitecture osseuse
2.3.1. Définition de la région d’intérêt (ROI)
2.3.2. Traitement des images 
2.3.3. Analyse de texture 
2.4. Analyse statistique
RESULTATS 
1. Complications per et post opératoires
2. Résultats cliniques 
3. Résultats radiographiques
4. Analyse de texture
DISCUSSION 
1. Résultats cliniques
2. Résultats radiologiques
3. Justification de la méthode d’analyse de l’évolution de la trame osseuse 
4. Interprétation de l’analyse fractale 
5. Points forts et points faibles de l’étude
CONCLUSION

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