Caractérisation d’échaffaudages explantés en b-TCP après résorption in-vivo en utilisant des techniques d’analyse d’images raffinées corrélées avec de la micro tomodensitométrie à rayons-X

L’utilisation de substituts osseux synthétiques est de plus en plus courante dans les procédés de réparation osseuse. Les biomatériaux de phosphate de calcium (CaP) sont les substituts dont la composition chimique se rapproche le plus de celle des os. Outre leur composition chimique, les propriétés géométriques des substituts osseux et, partant, leur macro et microporosité, ont une incidence sur leur efficacité et leur performance in vivo. Un grand nombre d’études se sont penchées sur le rôle des macro et microstructures des substituts dans le processus de guérison des os. Cependant, le rôle que la structure des substituts joue dans le processus de guérison reste à démontrer et est encore nébuleux en raison, entre autres, de la quasi inexistence de méthodes de caractérisation précises des phases des biopsies d’explants. La présente thèse comportait par conséquent deux objectifs généraux. Le premier consistait à élaborer, à appliquer et à valider des méthodes novatrices de traitement de l’image utilisant des ensembles de données de microtomographie par rayons X après implantation afin de réaliser avec précision la caractérisation des phases des biopsies d’explants de substituts osseux de modèles in vivo. Une importante difficulté de l’analyse des ensembles de données de microtomographie par rayons X après implantation provient du fait que les résidus osseux et céramiques des images microtomographiques présentent une densité similaire ; il devient par conséquent ardu de différencier les résidus céramiques du tissu osseux dans le matériel prélevé par biopsie. Le second objectif, tel que détaillé ci-dessous, concerne une méthode pour analyser avec précision le dépôt osseux microscopique dans les parois des substituts céramiques. Ainsi, le premier objectif impliquait la combinaison d’algorithmes de traitement d’images pour procéder à une étude précise des phases relevées dans les biopsies d’explants, et ainsi mieux comprendre le lien qui existe entre le processus de guérison et la structure du substitut. Plus précisément, l’alignement géométrique en 3D du substitut avant implantation sur les résidus du substitut a fourni des données sur la densité des particules osseuses par rapport à celle des résidus céramiques ; cela a donc permis de différencier avec encore plus de précision les phases relevées de la biopsie. Les résultats algorithmiques ont été entièrement validés au moyen de la théorie des matrices similaires et de la comparaison des résultats algorithmiques de cinq images choisies au hasard comprenant au total 556 800 pixels avec ceux obtenus manuellement par un scientifique expert en traitement de l’image. La validation a fait ressortir une concordance à 94 pour cent. Les clichés histologiques ont en outre confirmé les résultats de validation. Le nouvel algorithme en 3D permet donc d’analyser globalement et localement des effets macroscopiques comme la néoformation osseuse et la résorption céramique du processus de guérison. Globalement, ces effets sont analysés pour tout le substitut ; localement, ces effets peuvent être analysés pour chacune des distributions de pores du substitut. Cette approche novatrice aide ainsi à intégrer la conception structurelle du substitut osseux au processus de guérison. Les méthodes et les résultats relatifs à cet objectif sont expliqués plus en détail au chapitre 3. Le second objectif de la présente thèse impliquait l’élaboration d’une nouvelle catégorie d’algorithmes servant à analyser avec précision des effets microscopiques comme la néoformation osseuse dans les pores microscopiques du substitut céramique, permettant ainsi l’étude des effets microscopiques du processus de guérison. Plus particulièrement, les structures matérielles observées dans les images à haute définition en 2 D de l’histologie et des techniques MEB étaient alignées géométriquement sur la structure en 3D de l’ensemble des données de microtomographie par rayons X du même substitut avant et après implantation. Par conséquent, les ensembles de données de microtomographie par rayons X en 3D avant implantation ont été utilisés pour définir la référence géométrique de la céramique qui se résorbe, ce qui par conséquent a permis d’effectuer une analyse précise des phases matérielles des clichés à haute résolution en 2D des coupes d’évaluation histologiques. Plus précisément, une fois que les images produites au moyen des techniques d’imagerie multimodale ont été combinées et alignées, l’information couleur provenant de l’histologie et la valeur de gris obtenue au moyen des images MEB ont été utilisées pour analyser les images histologiques ; celles-ci possédaient une résolution moyenne de 1,2 microns, ce qui a rendu possible l’étude des effets microscopiques à l’aide de clichés histologiques en 2D. Les méthodes et les résultats relatifs au second objectif sont au chapitre 4. Toujours au regard du second objectif, les nouveaux algorithmes ont servi à l’analyse des effets microscopiques et macroscopiques pour deux groupes de substituts b-TCP dont la taille des pores s’accroissait progressivement (diamètre de pore moyen = 510 et 1220 microns), implantés dans un modèle ovin pendant 6 semaines. Trois échantillons prélevés dans chaque groupe ont servi à étudier la néoformation osseuse et la résorption céramique. Des taux très élevés de néoformation osseuse et de résorption céramique ont été mesurés chez le groupe de substituts dont la taille des pores était la plus petite. Outre le taux plus élevé de néoformation osseuse, le groupe dont la taille des pores était plus petite présentait spécifiquement un important effet de surface ; en effet, le ratio de conversion de la surface de céramique résorbée en tissu osseux était beaucoup plus élevé que chez les deux autres groupes. Des études plus approfondies devront être menées afin d’analyser les effets de surface et les interactions entre le substitut osseux et le processus de guérison osseuse. Les méthodes et les algorithmes connexes de la présente thèse ont fourni un moyen novateur et original d’évaluer les effets microscopiques et macroscopiques du processus de guérison. Tout comme d’autres méthodes, les nouvelles méthodes mises au point sont limitées. Cellesci, exigeantes en termes de calculs, ont nécessité la présence d’un nombre suffisant d’éléments géométriques dans le substitut explanté afin d’aligner ces éléments sur ceux de la structure avant implantation.Abstract: Synthetic bone substitutes are being increasingly used in bone repair procedures. Calciumphosphate (CaP) substitute biomaterials have the closest chemical composition to bone. Besides the chemical composition, the geometrical properties and hence the macro and micro-porosity of the bone substitutes affect their in vivo effectiveness and performance. A large number of studies have investigated the role of the substitute’s macro- and micro-structure in the bone healing process. The role that the substitute’s structure plays in the healing process, however, remains debatable and unclear because of, among other reasons, the lack of accurate characterization methods of the phases in the explanted biopsies. This thesis accordingly had two overall objectives. The first was to develop, implement and validate novel image-processing methods for using the post-implantation mCT datasets to help accurately characterize the phases in bone substitute biopsies explanted from in vivo models. One important difficulty in analyzing the post-implantation mCT datasets is that bone and ceramic remnants in the mCT images appear to have similar density; differentiating between ceramic remnants and bone tissue in the biopsies therefore becomes difficult. The second objective, as detailed below, related to a method to accurately analyze the microscopic bone deposition into the bone substitute’s ceramic wall. Accordingly, undertaking the first objective involved developing image-based algorithms to accurately study the phases found in the explanted biopsies and thus better understand the relationship of the healing process and the substitute’s structure. Specifically, the 3D geometric alignment of the pre-implantation substitute with the substitute’s remnants provided access to data on the density characteristics of the bone versus the ceramic remnants; this accordingly allowed a more accurate differentiation of the phases found in the biopsy. The algorithmic results were thoroughly validated, using the similarity matrix theory and by comparing the algorithmic results of five randomly selected images — comprising a total of 556,800 pixels — with those obtained by a skilled image-processing scientist. The validation showed a 94-percent agreement. Histology photographs further confirmed the validation results. Accordingly, the new 3D algorithm helps to globally and locally analyze macroscopic effects such as bone deposition and ceramic resorption of the healing process. Globally, these effects are analyzed for the entire substitute, and locally, these effects can be studied for each pore of the substitute. The novel approach thus helps relate the bone substitute’s structural design to the healing process. The methods and the results related to this objective are detailed in Chapter 3. The second objective of the present thesis entailed developing a new class of algorithms to accurately analyze the microscopic effects such as the bone deposition in the microscopic porosity of the ceramic substitute, thereby allowing the study of microscopic effects of the healing process. Specifically, the material structures seen in the high-resolution 2D images of the histology and SEM techniques were geometrically aligned with the 3D structure in the mCT dataset of the same substitute before and after implantation. Accordingly, the 3D pre-implantation mCT datasets were used to define the geometric reference of the resorbing ceramic, and therefore allowed an accurate analysis to be made of the material phases in the high-resolution 2D photographs of the histology evaluation cuts. Specifically, once the images from the multimodal imaging techniques were combined and aligned, the color information from histology and the grey value information from SEM images were used to analyze the histology images; the latter had an average resolution of 1.2 microns and this made studying the microscopic effects using the 2D histology photographs possible. The methods and the results related to the second objective are in Chapter 4. Still in line with the second objective, the new algorithms were used to analyze the microscopic and macroscopic effects of two b-TCP substitute groups of incrementally increasing pore size (mean pore diameter = 510 and 1220 microns), implanted in an ovine model for 6 weeks. Three samples were selected per group to investigate the microscopic and macroscopic bone deposition and ceramic resorption. Significantly higher bone deposition and ceramic resorption were measured in the substitute group with the smaller pore size. In addition to the higher micro-bone deposition, the smaller pore-size group specifically featured an important surface effect; namely, the conversion ratio of resorbed surface ceramic into bone tissue was significantly higher compared to the two other groups. Further studies are still required to investigate the surface effects and the related interactions between the bone-substitute design and the bone-healing process. The present thesis’ methods and related algorithms provided novel and original means to evaluate microscopic and macroscopic effects of the healing process. Like other methods, the newly developed ones have limitations. The methods are computationally demanding, and required that a sufficient number of geometric features be present in the explanted substitute so as to align these features with those of the pre-implantation structure