Evaluation du risque de fracture de fémurs humains métastasés : Validation expérimentale et analyse de sensibilité

Par Marc GARDEGARONT  

Les métastases osseuses affectant le fémur sont susceptibles d’induire des fractures au cours des activités quotidiennes entrainant de graves répercussions sur le traitement des patients atteints de cancer. Les outils utilisés en clinique ne sont pas suffisamment précis pour prédire avec certitude le risque de fracture du fémur métastasé (Damron et al., 2003). Afin d’améliorer la précision de cette évaluation, des modèles en éléments finis personnalisés à partir d’images tomodensitométriques sont développés (Sas, Tanck, et al., 2020). Le but de cette étude est d’évaluer la reproductibilité de trois modèles de la littérature, de calculer leur incertitude, et d’analyser leur sensibilité aux paramètres d’entrées afin d’en fournir une évaluation complète en accord avec les principes de vérification, validation, et quantification d’incertitude (VVUQ), puis d’appliquer deux de ces modèles à des cas cliniques.

Trois modèles de la littérature ont été reproduits : (Duchemin et al., 2008), (Sas, Ohs, et al., 2020), (Johnson et al., 2020). Les performances des modèles ont été évaluées sur des jeux de données ex vivo puis comparées aux performances des modèles d’origine. Une étude de sensibilité (analyse de Morris) a ensuite été effectuée pour chacun des modèles reproduits. Enfin, les modèles reproduits de Duchemin et al. 2008 et Sas et al. 2020 ont été appliqués à 9 fémurs métastasés de patient les risques de rupture lors d’une descente d’escalier ont été évalué et comparés à des scores cliniques.

Les résultats ont montré que les modèles reproduits donnent des résultats similaires aux modèles originaux sur les mêmes jeux de données (r² ≥ 0.87) mais des performances moindres lorsqu’ils sont utilisés sur un autre jeu de données (r² ≤ 0.6). Les analyses globales de sensibilité avec la méthode de Morris ont montré que plusieurs paramètres, tels que la segmentation, l'orientation du fémur, sa longueur utile et le coefficient de calibration de densité, influençaient notablement (5 – 40 %) les prédictions d’effort à rupture des modèles. L’application sur fémur métastasé de patients a montré des différences de pronostic en fonction des scores et des modèles utilisés.

Ces recherches marquent une avancée significative vers l'utilisation clinique de ces modèles, tout en reconnaissant leurs limites actuelles et la nécessité de futures études longitudinales sur un plus grand nombre de patients pour évaluer leur fiabilité en termes de prédiction du risque de fracture imminente.

Figure

References

Damron, T. A., Morgan, H., Prakash, D., Grant, W., Aronowitz, J., & Heiner, J. (2003). Critical evaluation of Mirels’ rating system for impending pathologic fractures. Clinical Orthopaedics and Related Research, 415 Suppl, Article 415 Suppl. https://doi.org/10.1097/01.blo.0000093842.72468.73

Duchemin, L., Mitton, D., Jolivet, E., Bousson, V., Laredo, J. D., & Skalli, W. (2008). An anatomical subject-specific FE-model for hip fracture load prediction. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 11(2), Article 2. https://doi.org/10.1080/10255840701535965

Johnson, J. E., Brouillette, M. J., Permeswaran, P. T., Miller, B. J., & Goetz, J. E. (2020). Simulated lesions representative of metastatic disease predict proximal femur failure strength more accurately than idealized lesions. Journal of Biomechanics, 106, 109825. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.109825

Sas, A., Ohs, N., Tanck, E., & van Lenthe, G. H. (2020). Nonlinear voxel-based finite element model for strength assessment of healthy and metastatic proximal femurs. Bone Reports, 12, 100263. https://doi.org/10.1016/j.bonr.2020.100263

Sas, A., Tanck, E., Sermon, A., & van Lenthe, G. H. (2020). Finite element models for fracture prevention in patients with metastatic bone disease. A literature review. Bone Reports, 12, 100286. https://doi.org/10.1016/j.bonr.2020.100286

Publication

Gardegaront, M. (2023). Évaluation du risque de fracture de fémurs humains métastasés : Validation expérimentale et analyse de sensibilité. Thèse de Doctorat de l’université Claude Bernard Lyon 1.

 L’auteur

GARDEGARONT Marc (LBMC, Univ Eiffel, Univ Lyon 1, France)

Ingénieur de recherche en modélisation et simulation numérique au Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs. A effectué sa thèse en collaboration avec le Lyos et le LBMC grâce au financement du Labex PRIMES sur les problématiques de reproductibilité des modèles de prédiction de fracture du fémur.

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