L'ostéoporose est une maladie qui affaiblit la structure de l'os par la détérioration de l'architecture trabéculaire et par la diminution de l'épaisseur corticale et l'augmentation de sa porosité. Malgré le coût de santé public, son dépistage n'est pas systématique, et n'est basé que sur l'évaluation de la minéralisation d'un volume osseux à partir de sa projection plane. Aucune information directe sur la structure n'est donnée. Dans le but d'étudier la contribution de la structure osseuse dans la résistance de la partie proximale du fémur, un protocole expérimental simulant la phase d'appui monopodal de la marche, a été développé. Ces essais ont permis de mesurer l'effort à la rupture nécessaire pour provoquer des fractures au niveau du col fémoral semblables aux observations cliniques. Les résultats expérimentaux, serviront à développer un modèle numérique basé sur la théorie des poutres, pour étudier la contribution de l'enveloppe cortical et des faisceaux trabéculaires dans la résistance de la partie proximale du fémur

CHABRAND, Patrick

CHAMPSAUR, Pierre

HOCHARD, Christian

LE CORROLLER, Thomas

PITHIOUX, Martine

TELLACHE, Mohamed

I-Revues

18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
1 
ETUDE EXPERIMENTALE DE LA RUPTURE OSTEOPOROTIQUE DU COL FEMORAL 
 
Mohamed Tellache1, 2, Martine Pithioux1, Patrick Chabrand1, Christian Hochard2, Pierre 
Champsaur3 et Thomas LeCorroller3. 
 
1Laboratoire d’Aérodynamique et Biomécanique du Mouvement. 
Université de la méditerranée, 163 Avenue de Luminy,  
13288 Marseille cedex09. France.   
2Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique 
CNRS, 31 chemin Joseph-Aiguier,  
13402 Marseille cedex20. France. 
3CHU Marseille - Radiologie et Imagerie Médicale 
Hôpital de la Timone, 254, rue Saint Pierre 
13385 MARSEILLE CEDEX 5 
 
Email : mohamed.tellache@univmed.fr 
 
 
Résumé  
 
L'ostéoporose est une maladie qui affaiblit la structure de l'os par la détérioration de l'architecture 
trabéculaire et  par la diminution de l’épaisseur corticale et l'augmentation de sa porosité. Malgré le 
coût de santé public, son dépistage n’est pas systématique, et n’est basé que sur l'évaluation de la 
minéralisation d'un volume osseux à partir de sa projection plane. Aucune information directe sur la 
structure n’est donnée. Dans le but d’étudier la contribution de la structure osseuse dans la résistance de 
la partie proximale du fémur, un protocole expérimental simulant la phase d’appui monopodal de la 
marche, a été développé. Ces essais ont permis de mesurer l’effort à la rupture nécessaire pour 
provoquer des fractures au niveau du col fémoral semblables aux observations cliniques. Les résultats 
expérimentaux, serviront à développer un modèle numérique basé sur la théorie des poutres, pour étudier 
la contribution de l’enveloppe cortical et  des faisceaux trabéculaires dans la résistance de la partie 
proximale du fémur.  
 
Abstract  
 
The osteoporosis is a disease that weakens the bone structure by deterioration of the trabecular 
architecture and by decreases the cortical width and increases it porosity. In spite of the important 
incidence on the public health, its screening is not systematic, and is only based on the evaluation of the 
mineralization of a bone volume starting from its plane projection, no direct information about the 
structure of bone is given. In order to study the contribution of bone structure on the proximal femur 
strength, an experimental device was developed to simulate loads acting on femoral neck in the one leg 
stance phase of walking.  These in–vitro tests, allowed to measure failure loads of femoral neck required 
o obtain femoral neck fractures closer to clinical observations. The experimental results will be used to 
develop numerical model based on beam theory in order to study the contribution of both cortical envelop 
and cancellous bone in strength of proximal femur.   
 
Mots-clefs : Ostéoporose, Fracture du col, Orientation physiologique  
 
1 Introduction 
 
L'ostéoporose est une maladie dégénérative des os caractérisée par une détérioration 
généralisée du tissu osseux  par altération du réseau trabéculaire et de l’enveloppe corticale 
(Bell et al. (1999)). Elle engendre des fractures dont celles qui touchent le col fémoral sont les 
plus importantes. Malgré le coût de santé public, son dépistage n’est pas systématique, et n’est 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
2 
basé que sur une mesure régionale de la quantité de minéral contenu dans l’os par 
ostéodensitométrie. 
Afin d’améliorer le dépistage, plusieurs travaux ont étudié les propriétés densitométriques 
et géométriques de l’os et leurs influences sur la résistance osseuse à travers des essais sur la 
structure du fémur. Ces essais simulent des chutes latérales (chargement sur le grand trochanter) 
ou d’adduction de la jambe (chargement sur la tête fémorale) pour s’approcher des 
configurations physiologiques. Les fractures obtenues pour la 1ère configuration sont 
traumatiques et ne représentent pas des fractures ostéoporotiques (Lochmüller et al (2002)).  
La 2ème reproduit différents types de fracture avec au maximum 69% de fractures sous–capitale 
proches de celles observées cliniquement (Cody et al (1999)). 
Dans le but d’étudier les mécanismes de rupture ostéoporotiques, nous avons développé un 
protocole expérimental simulant la phase d’appui monopodal de la marche. Cet essai nous a 
permis de simuler l’action musculaire et le poids propre subit par le col fémoral lors de cette 
phase. Le chargement est appliqué verticalement sur la tête fémorale, les fémurs sont maintenus 
dans une position physiologique (diaphyses inclinées de 17° dans le plan frontal et de 6° dans le 
sagittal avant fixation dans une résine).  
Ce protocole expérimental nous a permis de mesurer les forces à rupture et les 
déformations locales proche de la rupture pour des échantillons avec des lignes de rupture sous–
capitales. Les fractures obtenues sont semblables aux observations cliniques. La phase suivante, 
consistera à développer un modèle numérique basé sur la théorie des poutres pour estimer la 
résistance structurelle en incluant les propriétés matérielles et géométriques du fémur.  
 
2 Matériel et méthode  
 
L’objet de ce travail est l’étude in–vitro, de la résistance de la proximale fémorale sous 
sollicitations physiologiques. Les pièces anatomiques expérimentées ont été obtenues par le 
Laboratoire d’Anatomie de la Faculté de Médecine de Marseille, sur des sujets dans le cadre du 
don volontaire de corps, sous la responsabilité des membres de l’équipe médicale (Pr. P. 
Champsaur et Dr T. Le Corroller). Cinq fémurs humains frais ont été obtenus à partir de 
cadavres traités par injection intraveineuse post-mortem de Winkler (4 donneurs). Ces fémurs 
ont été ensuite conservés en chambre froide à la température de 5°C jusqu’à acquisition de la 
géométrie par tomodensitométrie, puis conservés par congélation à -20° jusqu’à la réalisation 
des essais.  
Les acquisitions tomodensitométriques de ces fémurs ont été réalisées à l’aide d’un scanner 
hélicoïdal (General Electric LightSpeed Pro 16) du pôle d’Imagerie Médicale de l’hôpital de La 
Timone, Marseille (coupes natives de 0,625 mm d’épaisseur, 140 kV). A partir des coupes 
scanners, la géométrie 3D des os a été obtenue par reconstruction à l’aide du logiciel ImageJ .  
La géométrie exacte des fémurs obtenue à partir des images scanner a été utilisée pour 
mettre en œuvre le dispositif expérimental. Ce dispositif a été élaboré afin de positionner les 
fémurs  pour simuler un chargement d’orientation physiologique correspondant à la phase 
d’appui mono–podal de la marche. Ce choix se base sur les observations de Beck et al (1990) et 
de Lotz et al (1995) qui montrent que la phase d’appui mono–podal est la phase de sollicitation 
non–traumatique maximale sur le col fémoral. 
Les efforts transmis à l’articulation de la hanche pour cette phase, ont été décrits par 
plusieurs auteurs (Bergmann et al (2001), Lotz et al (1995)). Les données de Lotz ont été 
choisies pour décrire l’orientation des efforts appliqués à la tête fémorale. Pour adapter la 
position physiologique à un chargement vertical, les fémurs sont disposés avec des inclinaisons 
déduites de l’orientation dans l’espace de l’effort appliqué à la tête (17° dans le plan sagittal, 
autour de l’axe frontal ; 6° dans le plan frontal, autour de l’axe sagittal).  
                                                           

 Image Processing and Analysis in Java http://rsb.info.nih.gov/ij/   
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Les fémurs sont ainsi disposés dans un manchon en PVC et fixés dans une résine EPOXY 
afin d’immerger la partie inférieure à la ligne inter–trochanter (voir FIG. 1). Cette fixation 
permet de ne solliciter, lors des essais, que le col. Ce choix est motivé par le besoin de mettre en 
œuvre un dispositif original pour solliciter le col fémoral avec une seule force résultante de 
l’action musculaire et du poids propre lors de la marche, l’objectif est de s’approcher des 
fractures ostéoporotiques observées cliniquement.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 1 –  Dispositif de fixation de la partie proximale du fémur dans un manchon de PVC. 
 
Le chargement vertical est appliqué à l’aide d’une machine de traction/compression 
INSTRON. Les fémurs sont maintenus sur la machine à l’aide d’un mandrin à trois mâchoires, 
pour aligner la tête fémorale avec l’indenteur de la machine  (voir FIG. 2). Entre l’os et 
l’indenteur métallique, un élastomère déformable est placé. La fonction de l’élastomère est de 
permettre la répartition de la charge appliquée sur une surface proche de la répartition 
anatomique (Yoshida et al (2005)), évitant ainsi l’application concentrique du chargement mais 
aussi la répartition du chargement sur toute la tête fémorale.  
 
 
 
Cellule de force 
 
Indenteur 
 
Elastomère de répartition 
 
Mandrin à 3 mâchoires 
 
FIG. 2 – Dispositif de fixation et de chargement de l’os sur la machine INSTRON 
 
La machine INSTRON est équipée d’une cellule de force permettant de mesurer l’intensité 
des efforts appliqués sur la tête fémorale. Le capteur de la cellule permet de mesurer des efforts 
allant jusqu’à 100 daN, avec une précision de ±2.5 N.  
 
Vis de butée  
Vis de fixation 
Manchon en PVC  
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4 
Un système d’acquisition d’images est utilisé pour mesurer la déformation de la face 
postérieure du col fémoral. La géométrie de cette région est la plus régulière ce qui permet de 
minimiser les artéfacts d’acquisition liés à la géométrie spatiale de l’os. Ce système est composé 
d’un appareil photo numérique JAI CV–M1 d’une résolution de 1020*1288 pixel (avec pixel 
carré), et d’un objectif optique pour localiser une région de capture à un échelle de 50 pixel/1 
mm.  La déformation est déduite des déplacements relatifs d’un mouchetis de point réalisé sur la 
face postérieure par projection de peinture mate.  
L’appareillage est asservi par un logiciel permettant l’acquisition manuel ou automatique. 
Le dispositif est complété par un système d’éclairage intense projeté sur les échantillons par 
deux faisceaux de fibre optique. Ce système permet une bonne visualisation de la surface 
osseuse lors des essais (source lumineuse loin du dispositif). 
Les images de l’évolution de la déformation avec le chargement sont exploitées par le 
logiciel de corrélation d’image Icasoft développé par le LaMCoS . 
Un chargement quasi–statique à vitesse de déplacement constante (2 mm/sec), a été 
appliqué jusqu’à rupture. L’effort appliqué a été enregistré à une fréquence de 10Hz. 
L’acquisition des images déformées a été synchronisée avec les efforts.     
 
3 Résultats 
 
Les trois premiers fémurs ont subit des fractures fémorales cervicales, avec une initiation 
sous–capitale et une bifurcation après rupture (voir FIG. 3, A et B). Pour l’un des deux derniers 
fémurs provenant du même donneur (fémur N°4), il n’y a pas eu de fracture mais un 
enfoncement de la tête fémorale sur le col a été observé. Le fémur N°5 a quant à lui subit une 
fracture sous–capitale nette.  
 
   
FIG. 3 – Profils de rupture obtenus : A – profil de rupture du fémur N°1, B – profil de rupture 
avec bifurcation des fémurs N°1, 2 3, C – profil de rupture du fémur 5. 
    
Les efforts à rupture enregistrés pour les trois premiers fémurs sont respectivement : 
256daN, 300daN et 466daN. Le fémur N°5 a été fracturé avec une force de 456daN. Le fémur 
N°4 a été exclu de l’étude car il n’a pas subit de fracture. 
Les séquences d’images obtenues par le système mis en place donnent un aperçu des 
profils de rupture (voir FIG. 4 – C) et ont permis de calculer les normes des déplacements d’un 
maillage généré par le logiciel ICASOFT (voir FIG. 4 – D).  
                                                           

  http://lamcos.insa-lyon.fr/Ressources/Logiciels/sifasoft_FR.htm 
A B C 
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FIG. 4 – Images de déformation de la face postérieure du fémur N°1 : A – image de référence, 
B– image déformée avant rupture, C– profil de rupture et D – norme du déplacement de l’image 
avant rupture.   
 
4 Discussion  
 
Les profils de rupture obtenus peuvent être expliqués par le choix d'orientations adoptées 
pour soumettre les fémurs à des chargements physiologiques. Dans la littérature, les profils de 
rupture varient avec les configurations de chargement employées. Beck et al (1990) aboutissent 
à des profils de rupture qui traversent le col fémoral verticalement pour un fémur fixé par sa 
diaphyse verticalement. Kayek et al (2001) trouvent avec une configuration d’abduction  (fémur 
fixé par sa diaphyse incliné dans le plan frontal de 20°), des fractures semblables à celles de 
Beck et des fractures trans–trochanteriénnes plus proches des fractures traumatiques. En 
utilisant une configuration d’abduction du membre pelvien avec un angle de 25°, Cody et al 
(1999) trouvent des fractures cervicales vraies, avec 69% de fractures sous–capitales.    
Les efforts à rupture obtenus dans cette étude sont comparables à ceux obtenus en 
chargement vertical par Lochmüller et al (442±168daN pour les hommes, 291±93daN pour des 
femmes). Cette échelle de grandeur est comparable aux  observations in–vivo de Bergmann et al  
(2001) qui trouvent un effort maximal appliqué à la tête fémorale lors de la marche, de l’ordre 
de 2.7~2.8 fois le poids propre de la personne. Les configurations d’abduction de la jambe 
utilisées par Cody et Keyak nécessitent des efforts nettement supérieurs aux sollicitations 
physiologiques pour provoquer la rupture (919,6±317,7daN pour Cody, 300 à 1500daN pour 
Keyak).  
Dans ce travail, le déplacement imposé à la tête fémorale n’a pas été utilisé pour calculer la 
déflexion de la tête car la transmission de l’effort s’effectue à l’aide d’un anneau en élastomère 
déformable. Les déplacements de la face postérieure du col fémoral sont calculés par corrélation 
d’image (ICASOFT), pour avoir une appréciation des déformations locales proche des lignes de 
fractures. Cette mesure locale, servira à valider les résultats d’un modèle numérique de rupture 
de la structure.   
 
5     Conclusion  
 
L’objet de cette étude est l’évaluation de la contribution de la structure osseuse du fémur 
dans la résistance aux sollicitations non–traumatiques. A cet effet, le dispositif expérimental 
développé pour simuler la phase de sollicitations maximales de la marche, a permis d’obtenir 
des profils de rupture sous–capitale proches des observations cliniques.  
A B C D 
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6 
Pour mieux apprécier les profils de rupture, les os seront analysés par tomodensitométrie 
pour avoir une reconstruction en 3D des profils de fractures et connaître les localisations exactes 
des lignes de fracture.   
Ces premiers essais destructifs seront complétés par une deuxième campagne 
expérimentale sur six fémurs pour avoir un nombre d’échantillons satisfaisant. 
La contribution de l’enveloppe corticale et du réseau trabéculaire sera évaluée par une 
analyse de la géométrie et de la densité osseuse avant essais in–vitro, par tomodensitométrie. La 
géométrie et la densité de l’os seront traduites par un modèle numérique du fémur en théorie des 
poutres. L’os sera considéré composé d’un os spongieux enveloppé par une épaisseur d’os 
cortical. Les résultats de cette modélisation seront comparés à ceux obtenus par les essais 
destructifs. 
 
 
Références 
 
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from bone mineral data. A structural approach. Invest Radiol. 25(1):6-18.  
 
Bell KL, Loveridge N, Power J, Garrahan N, Meggitt BF & Reeve J. 1999 Regional differences 
in cortical porosity in the fractured femoral neck. Bone. 24(1):57-64.  
 
Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J & Duda G. N. 
2001 Hip contact forces and gait patterns from routine activities, Journal of Biomechanics, 
Volume 34, Issue 7, Pages 859-871. 
 
Cody DD, Gross GJ, Hou FJ, Spencer HJ, Goldstein SA & Fyhrie DP. 1999 Femoral strength is 
better predicted by finite element models than QCT and DXA. J Biomech. 32(10) : 1013-20.  
 
Keyak JH, Rossi SA, Jones KA, Les CM & Skinner HB. 2001 Prediction of fracture location in 
the proximal femur using finite element models. Med Eng Phys. 23(9):657-64.  
  
Lochmuller E. M, Groll O, Kuhn V & Eckstein F 2002 Mechanical strength of the proximal 
femur as predicted from geometric and densitometric bone properties at the lower limb versus 
the distal radius, Bone, Volume 30, Issue 1, Pages 207-216. 
 
Lotz JC, Cheal EJ & Hayes WC. 1995 Stress distributions within the proximal femur during gait 
and falls: implications for osteoporotic fracture. Osteoporos Int.;5(4):252-61.  
 
Yoshida H, Faust A, Wilckens J, Kitagawa M, Fetto J & Chao EY. 2006 Three-dimensional 
dynamic hip contact area and pressure distribution during activities of daily living. J 
Biomech.; 39 (11): 1996-2004. 
 
 


Etude expérimentale de la rupture ostéoporotique du col fémoral

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/16582/1/CFM2007-1009.pdf

Etude expérimentale de la rupture ostéoporotique du col fémoral

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