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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 28, Numéro 12, Décembre 2012
Page(s) 1111 - 1115
Section M/S Revues
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/20122812022
Publié en ligne 21 décembre 2012

© 2012 médecine/sciences – Inserm / SRMS

Il existe un intérêt croissant ces dernières années pour la microarchitecture osseuse. En effet, elle représente, avec la densité minérale osseuse (DMO) mesurée en absorptiométrie biphotonique (DXA), un déterminant essentiel de la résistance mécanique. La microarchitecture trabéculaire1 s’adapte aux contraintes mécaniques, aux effets de l’âge et de la maladie ostéoporotique [1]. En effet, la DMO n’explique pas à elle seule la résistance osseuse, car il existe un recouvrement entre les valeurs de DMO observées chez des sujets n’ayant pas fait de fractures et chez des sujets ayant des antécédents de fractures [2]. Chez près de 50 % des sujets ayant présenté des fractures ostéoporotiques, le seuil de DMO de - 2,5 déviation standard par rapport à la population jeune de référence - ou T-score - n’est pas atteint [3]. Il est essentiel d’évaluer les modifications microarchitecturales qu’induisent les médicaments afin de comprendre leur efficacité thérapeutique. Or, l’augmentation de la DMO ne suffit pas à expliquer l’effet des traitements, moins de la moitié de l’effet pouvant lui être attribuée [4]. La caractérisation de l’os trabéculaire permet de mieux comprendre les différents types d’ostéoporose et de suivre l’efficacité des traitements, ce d’autant que cet os est la cible privilégiée de ces traitements de l’ostéoporose, en raison de son métabolisme rapide. La microarchitecture trabéculaire a pour avantage d’être accessible aux méthodes d’imagerie moderne.

Les techniques d’imagerie de la structure osseuse

Les techniques d’exploration du tissu osseux doivent être adaptées aux caractéristiques de la structure osseuse. L’épaisseur moyenne des travées est de 100 à 150 µm avec un espace entre les travées de 500 à 1 000 µm. L’analyse tridimensionnelle (3D) nécessite une résolution élevée, proche de la taille des travées, si possible égale dans les trois directions de l’espace (résolution isotrope) afin de permettre une caractérisation morphologique et topologique du réseau trabéculaire précise. Avec une résolution de 250 µm ou plus, l’accès direct au réseau trabéculaire est impossible ; dans ce cas les paramètres morphologiques obtenus sont dits apparents et ne permettent d’analyser que la texture. L’imagerie bidimensionnelle (2D) de projection est partiellement représentative de la structure 3D avec des résolutions qui vont de 100 µm à 1 mm.

Approche in vivo

L’imagerie de projection est la radiographie conventionnelle qui permet des résolutions proches de 200 µm et concerne des sites périphériques (calcanéum et radius) [5, 6]. L’analyse in vivo au niveau du rachis est beaucoup plus complexe, car il existe une trop grande variabilité des images en raison de l’importante épaisseur de tissus mous à traverser. Dans tous les cas, ces techniques nécessitent que les paramètres d’acquisition soient standardisés. L’évolution technologique s’oriente vers des détecteurs numériques tels que les capteurs à iodure de césium (C-MOS) dont les principaux avantages sont une très bonne résolution (de l’ordre de 100 µm), une calibration possible et une utilisation de logiciels d’analyse de texture facilitée. Appliqué au calcanéum, un appareil dédié a montré sa capacité à identifier les patientes ayant des antécédents de fractures, et la reproductibilité des mesures [7]. L'image de DXA a été proposée comme support à l’analyse de texture, reflet de la microarchitecture au niveau du calcanéum [8] et du rachis, ce dernier qui est un site habituel de fractures et de mesure de la densité minérale osseuse [9, 10].

Le principal avantage des méthodes 3D utilisées sur des sujets in vivo est de pouvoir faire une analyse séparée de l’os trabéculaire et de l’os cortical. La résolution spatiale des scanners multibarrettes utilisés en routine clinique est de 150 à 300 µm avec des épaisseurs de coupe au mieux de 300 µm, ce qui reste insuffisant pour analyser individuellement les travées. Avec les volumic quantitative computed tomography (V-QCT), on peut obtenir un voxel isotrope (volumetric pixel) et, en théorie, des images du squelette axial, mais la résolution reste insuffisante et l’irradiation élevée.

Une résolution de 82 µm3 a été obtenue pour l’analyse de la micro-structure trabéculaire sur des os périphériques tels le radius et le tibia [10]. Dans ce cas, on parle de HR-pQCT pour high resolution peripheral quantitative computed tomography. La dose effective reçue par le patient est faible, environ 3 μSv au radius [11]. Seuls les os périphériques sont accessibles compte tenu de l’irradiation nécessaire pour obtenir des images de cette résolution. Les différences de microstructure osseuse selon le sexe ont pu être étudiées, et dans différentes pathologies comme par exemple l’hyperparathyroïdie primitive ou l’insuffisance rénale chronique [12] (Figure 1).

thumbnail Figure 1.

Exemple d’images en HR-pQCT réalisées à 4 cm du pilon tibial sur deux tibias différents. A. Sujet normal. B. Sujet ostéoporotique. La résolution est de 82 µm.

En IRM, la meilleure résolution obtenue avec des appareils de routine clinique à 1,5 teslas est de 156 µm ×  156 µm × 300 µm sur le radius in vivo [13]. Le faible rapport signal sur bruit (S/B) limite actuellement l’analyse de l’os trabéculaire qui est caractérisé par un faible signal. Les examens sont longs et coûteux, et les artéfacts dus aux mouvements sont fréquents. Seuls les sites périphériques comportant de la moelle graisseuse permettent l’utilisation d’antennes de surface qui donnent un S/B suffisant. D’autre part, le S/B a aussi pu être amélioré en utilisant une IRM à 3 teslas avec une résolution de 156 µm × 156 µm × 500 µm [14], mais il est toutefois peu amélioré à 7 teslas [15]. Le principal avantage de cette dernière approche est qu’elle n’entraîne pas d’irradiation du patient.

Approche in vitro

L’histologie reste irremplaçable pour l’étude de la morphologie et des activités cellulaires. Mais l’évaluation de la microarchitecture réalisée sur une coupe bidimensionnelle (2D), tout en étant considérée comme incontournable, reste insuffisante pour représenter la structure 3D réelle.

La microCT (microcomputed tomography) par rayonnement synchrotron permet d’obtenir des résolutions de l’ordre du micron. Le principe est la reconstruction de coupes jointives à partir de projections 2D acquises successivement autour d’un axe de rotation. Le rayon X qui est extrait des lignes de lumière est monochromatique, ne diverge pas et possède une grande quantité de photons. C’est la méthode qui constitue le gold standard pour les analyses 3D [16]. L’utilisation aux résolutions submicroniques est possible et nécessite la gestion de gros volumes de données sur des centres d’intérêt plus réduits. L’utilisation du rayonnement synchrotron nécessite une infrastructure lourde qui existe en France sur deux sites : le european synchrotron radiation facility (ESRF) à Grenoble et le synchrotron Soleil à Saint-Aubin. Cette méthode de recherche est utilisée pour valider les autres méthodes d’investigation, et a déjà été utilisée pour explorer l’os humain [17] et les conséquences des traitements thérapeutiques [18].

Avec les appareils de laboratoire qui utilisent des rayons X conventionnels, le principe reste celui de la tomographie et les résolutions obtenues sont de 6 à 20 µm. Ce système s’est développé au cours de la dernière décennie parallèlement à l’évolution de la puissance de calcul informatique. Le rayonnement X est moins performant que celui du synchrotron [19]. Cette méthode tend à devenir la méthode la plus utilisée pour l’analyse de la microarchitecture osseuse in vitro (Tableau I). Les variations de la microarchitecture trabéculaire de l’os humain ont été étudiées à différents sites squelettiques et sous l’effet de l’ostéoporose [20], de la ménopause [21] et de divers traitements [22]. Pour tester l’effet des médicaments, le site squelettique le plus utilisé est la crête iliaque.

Tableau I.

Exemple de résultats sur un os normal et ostéoporotique à partir de reconstructions 3D réalisées en microCT (résolution 16 µm). Tb.Pf : trabecular bone pattern factor ; BV/TV : bone volume/total volume ; Tb.Sp : trabecular spacing ; Tb.N : trabecular number ; SMI : structure model index.

Avec des champs magnétiques élevés, il est possible de faire de la microIRM. La meilleure résolution obtenue était dans le plan 23 µm x 23 µm avec une épaisseur de coupe de 39 µm [23]. L’image IRM dépend de la susceptibilité magnétique de l’interface travée/moelle qui augmente avec l’intensité du champ. Le type de séquence interfère sur la taille des travées. Cette dernière méthode reste toutefois du domaine de la recherche en imagerie.

Les méthodes de mesure

Les analyses morphologiques

La mesure des paramètres nécessite un seuillage de l’image préalable. Cette étape est en pratique très importante et conditionne la qualité des résultats. Les premiers paramètres de microarchitecture ont été développés par Parfitt [24]. Les paramètres morphométriques de base mesurés sont la fraction volumique de l’os (BV/TV pour bone volume/total volume, et le BS/TV pour bone surface/total volume), le nombre de travées (Tb.N pour trabecular number), l’épaisseur des travées (Tb.Th pour trabecular thickness) et l’espace entre les travées (Tb.Sp pour trabecular spacing). Le BV/TV correspond à la proportion de pixels d’os dans l’ensemble des pixels. La méthode la plus ancienne pour mesurer les paramètres sur les images est un ensemble de lignes test parallèles ou méthode du mean intercept length (MIL). Pour chaque direction, une grille est posée sur la structure, et le nombre d’intersections avec l’interface entre l’os trabéculaire et la moelle est comptabilisé. Ceci permet de mesurer le BS/TV et d’en déduire directement, par l’intermédiaire des modèles (plaque ou poutre), le nombre de travées, l’épaisseur des travées et l’espace intertravées. Des méthodes plus récentes utilisées en imagerie 3D mesurent les surfaces et les volumes à partir de la juxtaposition d’éléments structurants tels que des triangles (surface) pour BS et des hexaèdres (volume) pour BV ayant des caractéristiques géométriques connues [25]. D’autres, comme Hildebrand et al. [26], ont utilisé comme élément structurant une sphère pour une mesure directe de l’épaisseur des travées et de l’espace intertravées. Le paramètre Tb.N dérivé de l’inverse de la distance des axes médians de la structure trabéculaire est souvent utilisé [27]. Les autres paramètres peuvent être calculés à l’aide de modèles en plaque ou en poutre à partir de ces méthodes d’évaluation directe [24]. Dans l’histoire naturelle de l’ostéoporose, alors que la DMO ne diminue que de 3 % au cours d’une année, le BV/TV et le Tb.N vont diminuer, respectivement, de 20 % et de 13 % [28].

Les analyses topologiques et d’anisotropie

Les analyses topologiques peuvent être réalisées sur des images 2D ou 3D (meilleures). La technique du nombre d’Euler développée par Feldkamp et al. [29] caractérise le nombre de trous dans la structure, reflet direct de la connectivité. Une structure très connectée présente un nombre d’Euler très négatif. Cette méthode est très utilisée en 3D et nécessite des images d’excellente qualité. Il existe une relation linéaire positive entre le nombre de connexions et le module d’élasticité de l’os trabéculaire [30].

Le trabecular bone pattern factor (Tb.Pf) est basé sur l’existence de surfaces concaves et reflète la connectivité. Le principe s’appuie sur la mesure de la surface osseuse et du périmètre osseux avant et après dilatation des travées. Le périmètre des structures convexes augmente et le périmètre des structures concaves diminue, ce phénomène étant accentué pour l’os ostéoporotique [31].

Le structure model index (SMI) est un paramètre populaire déterminé à partir des calculs de la surface osseuse et du volume osseux avant et après dilatation. Il permet de quantifier la morphologie de la structure selon qu’elle est préférentiellement formée de plaques ou de poutres (les plaques et les poutres ont un comportement différent en cas de dilatation) [32]. Une structure en plaque aura une valeur proche de 0 et une structure en poutre une valeur proche de 3. L’os jeune a plutôt une organisation plaque-poutre et au fur et à mesure des cycles de remodelage, la structure apparaît comme n’étant plus composée que de poutres [33] (Figure 2).

thumbnail Figure 2.

Exemple de plaques (A) et de poutres (B) sur une reconstruction 3D de tête de fémur en microCT (résolution 10 µm).

L’anisotropie correspond à l’organisation directionnelle préférentielle d’un matériau dans l’espace. L’os trabéculaire est typiquement un matériau anisotrope avec des propriétés mécaniques variables en fonction de la direction de la force appliquée, la résistance maximum étant parallèle au grand axe des travées. L’anisotropie architecturale est le reflet de l’anisotropie mécanique et elle est dépendante du site osseux considéré. Les travées qui disparaissent les premières dans l’ostéoporose sont celles qui subissent le moins de forces mécaniques, augmentant de fait l’anisotropie. La méthode du MIL déjà décrite est la plus couramment utilisée. À partir de vecteurs, on peut calculer une ellipse (2D) ou un ellipsoïde (3D). Le degré d’anisotropie est défini par le rapport entre l’axe le plus long et l’axe le plus court de l’ellipsoïde [34]. Il apparaît que, parmi les paramètres architecturaux, la connectivité et l’anisotropie sont les principaux déterminants de la résistance mécanique [34].

Analyse de texture

L’analyse de texture est représentée par l’analyse fractale, les analyses statistiques et un paramètre développé spécifiquement pour les images densitométriques qui ont une résolution très basse : le trabecular bone score (TBS). Ces analyses peuvent être faites théoriquement en 2D ou 3D.

L’analyse fractale permet de définir le paramètre D, dont il existe de nombreux estimateurs, reflet de la complexité de la structure. Les analyses statistiques sont dérivées des matrices de longueur de plages ou de co-occurrences. Le principe des matrices de longueur de plage consiste, pour un niveau de gris donné, à définir des plages de pixels adjacents de taille n, n+1 dans une direction donnée, et secondairement à calculer des paramètres statistiques à partir de l’histogramme de répartition des plages [35]. Les matrices de co-occurrences caractérisent la probabilité conjointe d’apparition d’un couple de niveaux de gris séparés par une certaine distance et dans une certaine direction [36]. De nombreux paramètres statistiques peuvent être calculés, ce qui rend parfois l’analyse et l’interprétation des résultats difficiles. Ces paramètres étant très reliés entre eux, il est important de déterminer quels sont ceux qui sont les plus pertinents pour décrire les altérations du tissu osseux. Il semble également que les résultats sont très dépendants du type d’image et de la zone osseuse analysée. Les paramètres de texture sont un reflet indirect de la microarchitecture 3D dérivée des paramètres morphologiques [37].

Le TBS est une méthode originale qui a été développée spécifiquement pour caractériser la texture osseuse à partir des images de DXA rachidienne. Sa valeur prédictive des fractures, indépendamment de la DMO [9], a été démontrée dans une étude prospective. Le TBS est la mesure du taux moyen des variations locales des niveaux de gris par unité de distance. Il tient compte des variations de niveaux de gris dans l’image mais pas de leur niveau global qui lui dépend directement de la DMO. Par définition, une valeur basse qui correspond à une texture à large maille est évocatrice d’ostéoporose. Ce paramètre est relié à la fraction volumique, à l'épaisseur des travées et à la connectivité [10].

Conclusion

Avec les nouvelles techniques d’imagerie à l’échelle microscopique, il est possible d’effectuer des analyses tridimensionnelles qui permettront de mieux comprendre la physiologie, la physiopathologie et la physiopharmacologie de la microstructure osseuse, et de valider l’efficacité des nouveaux traitements.

Parallèlement se développent in vivo des techniques telles que des radiographies haute résolution, le scanner haute résolution et l’IRM qui permettent l’évaluation de la microstructure osseuse à des résolutions proches de la taille des travées. Une méthode comme le TBS a l’avantage d’utiliser la DXA largement utilisée pour le dépistage de l’ostéoporose. Ces méthodes permettront à terme de mieux dépister les sujets à risque de fractures ostéoporotiques et de suivre l’efficacité d’un traitement.

Liens d’intérêt

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.


1

L’os se compose de deux types de structure : l’os trabéculaire (ou os spongieux) et l’os cortical (ou os compact). L’os cortical (80 % de l’os squelettique total) occupe la périphérie de la diaphyse ou corps des os longs, limitant un canal central de forme allongée dans le sens du grand axe de l’os, la cavité médullaire. L’os spongieux ou trabéculaire (20 %) est présent dans les extrémités des os longs, c’est-à-dire les épiphyses, ainsi que dans la métaphyse, zone de transition entre l’épiphyse et la diaphyse, où il forme un système de lamelles osseuses irrégulières, les trabécules. Il est également présent dans les corps vertébraux. Les travées osseuses formées par les lamelles s’entrecroisent et sont disposées dans le même sens que les forces de pression et de traction exerçant des contraintes sur l’os. L’architecture de l’os est donc édifiée suivant les forces mécaniques auxquelles celui-ci est soumis. On admet que les vertèbres sont formées de 50 % d’os trabéculaire et de 50 % d’os cortical. Le col du fémur, quant à lui, est constitué de 30 % d’os trabéculaire et de 70 % d’os cortical.

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Liste des tableaux

Tableau I.

Exemple de résultats sur un os normal et ostéoporotique à partir de reconstructions 3D réalisées en microCT (résolution 16 µm). Tb.Pf : trabecular bone pattern factor ; BV/TV : bone volume/total volume ; Tb.Sp : trabecular spacing ; Tb.N : trabecular number ; SMI : structure model index.

Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Exemple d’images en HR-pQCT réalisées à 4 cm du pilon tibial sur deux tibias différents. A. Sujet normal. B. Sujet ostéoporotique. La résolution est de 82 µm.

Dans le texte
thumbnail Figure 2.

Exemple de plaques (A) et de poutres (B) sur une reconstruction 3D de tête de fémur en microCT (résolution 10 µm).

Dans le texte

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