Brevet FR2527779A1 — publié le 19831202

La présente invention concerne un matériau simulateur du tissu osseux et son procédé de préparation. Depuis quelques années, on a perfectionné les méthodes d'examen et de diagnostic des différentes maladies osseuses en utilisant le phénomène d'atténuation par la matiere des faisceaux de photons X ou y, ce qui permet de définir, par exemple, les caractéristiques de composition ou les caractéristiques geométriques de l'os examiné. Pour des -techniques d'examens de ce type telles que la radiographie, la radiographie quantitative, la tomodensitographie et l'ostéodensimétrie, il est nécessaire de disposer d'une série de pièces reproduisant les différentes géométries ou compositions osseuses que l'on peut rencontrer et présentant les coefficients d'atténuation massique correspondant, par exempie pour étalonner l'appareil d'examen.Ainsi, dans les techniques de radiographie, il est souhaitable de disposer d'objets tests tels que des gradins, des coins, des indicateurs de qualité d'images, ayant une géomé- trie, une composition et un coefficient d'atténuation massique parfaitement définis, se rapprochant le plus possible des tissus vivants à étudier pour vérifier la qualité de l'image radiographique. La présente invention a précisément pour objet un matériau simulateur du tissu osseux qui con vient à la fabrication de pièces de différentes formes présentant une géométrie, une composition et un coefficient d'atténuation massique très proches du tissu osseux. Selon l'invention, le matériau simulateur du tissu osseux se caractérise en ce qu'il comprend : - de 0 à 55% en poids d'hydroxyapatite dont la formule correspond à 3 moles de phosphate tricalcique Ca3 (PO4)2 pour une mole d'hydroxyde de calcium Ca (OH)2, et - de 45 à 100% en poids d'un matériau organique consti tué par un copolymère d'un polyester insaturé et de monomères éthyléniquement insaturés, le polyester insaturé représentant de 40 à 658 en poids du copoly mère et les monomères représentant de 35 à60% en poids du copolymère, ledit copolymère ayant un coef ficient d'atténuation massique des rayonnements y et des rayonnements X proche de celui du tissu organique de l'os dans la gamme d'énergie allant de 10 à 500 keV et une masse volumique proche de celle du tissu organique de l'os. Le matériau simulateur de l'invention contient ainsi deux constituants principaux : l'hydroxya- patite et le copolymère de polyester insaturé, qui simulent respectivement le matériau minéral et le tissu organique de l'os. En ce qui concerne l'hydroxyapatite dont la formulation correspond à 3 moles de phosphate tricalci -que pour 1 mole d'hydroxyde de calcium, cèlle-ci présente sensiblement les mêmes caractéristiques (coefficient d'attenuation massique et masse volumique) que les parties minérales de l'os. En ce qui concerne le copolymère, celui-ci est choisi de façon à presenter une composition globale en carbone, en oxygène et en hydrogène voisine de celle du tissu organique-de l'os, et des caractéristiques d'atténuation massique des rayonnements X et y dans la gamme de 10 à 500 keV ainsi qu'une masse volumique proches de celles du tissu organique de l'os. Avantageusement, la composition en C, H et O du copolymère est telle que le rapport en poids H C + O + H soit de 0,02 à 0,12. Cette composition de copolymère peut correspondre à - 72,1 à 73,08 en poids de carbone, - 21,6 à 21t9t " " d'oxygène, et - 5,9 à 6,18 " " d'hydrogène. Parmi les copolymères susceptibles de présenter ces caractéristiques, on peut citer les copolymères obtenus à partir du polyester répondant-à la formule suivante avec n et m représentant respectivement le nombre de motifs phtalate et maléate dans la molécule de polyester insaturé. En effet, des copolymères obtenus à partir de ce polyester présentent une composition globale-en C, O et H voisines de celle du tissu organique de l'os et un coefficient d'atténuation massique des rayonnements X et y également proche de celui du tissu organique de l'os On rappelle que le coefficient d'atténuation massique Il est obtenu à partir de la formule I=Ioe-umfx dans laquelle I est l'intensité du rayonnement ayant traversé la substance à examiner, Io est l'intensité initiale du rayonnement, um est le coefficient d'atténuation massique, x est l'épaisseur en cm et ç est la masse volumique en g/cm3. Le coefficient d'atténuation massique stexprime donc en cm2.g1 Pour les tissus vivants, le coefficient moyen d'atténuation massique varie de 0,102 pour unie énergie de 350 keV à 0,308 pour une énergie de 60 keV, comme on peut-le voir dans le tableau ci-dessous où l'on a donné les différents coefficients d'atténuation massique de tissus vivants de boeuf pour deux gammes d'énergie correspondant à une mesure au moyen d'une source d'américium 241 et d'une source de baryum 133. TABLEAU 1 241Am 133Ba Ey = 60 keV Ey = 350 keV Muscle 0,193+0,007 0,108i0,003 Moelle osseuse 0,193+0,007 0,108#0.003 Graisse 0,188+0,004 0,110+0,002 Tissu osseux 0,308+0,010 0,102+0,009 (minéraux+soutien) Généralement, pour llanalyse et l'examen des os, on utilise une énergie située dans la gamme de 30 à 400 keV et dans ces conditions le coefficient d'atténuation massique d'un copolymère de polyester précité et de styrène varie de 0,300 à 0,108.Ainsi, ce coefficient se situe bien dans l'intervalle des coefficients massiques des différents tissus mous : muscle, graisse, moelle osseuse et tissus organique de soutien de l'os, et de ce fait ce polyester peut servir à simuler le tissu organique de l'os. Gracie au choix des copolymères de.polyesters insaturés, le matériau simulateur. du tissu osseux, selon l'invention, présente par ailleurs l'avantage d'etre stable dans le temps et non hygroscopique, de pouvoir se présenter sous la forme de pièces solides, dans lesquelles meme avec des proportions pondérales d'hydroxyapatite variant de 0 à 55-%, la répartition des deux constituants simulant respectivement le matériau minéral et le matériau organique de l'os est bien homogène. De plus, les pièces peuvent avoir des formes diverses, par exemple la forme de cylindres creux, de gradins-percés ou non de trous, de coins, etc. Bien que différents polymères organiques, par exemple le polyéthylène, le polystyrène et les polyamides 6 et 6.6 puissent présenter les caractéristiques requises pour le coefficient d'atténuation massique et la masse volumique, on utilise uniquement selon l'invention un copolymère d'un polyester insaturé afin d'obtenir une bonne tenue mécanique, en particulier lorsque la charge minérale d'hydroxyapatite est élevée, et de pouvoir usiner de plus les pièces, par tournage ou fraisage. En effet, comme on peut le voir dans le tableau II ci-dessous, de nombreux polymères organiques répondent aux caractéristiques requises, en ce qui con-cerne le coefficient d'atténuation massique. TABLEAU II Source E Poly Poly Poly Poly Poly Poly Poly Eau Paraffine méthacryla Y (KeV) éthylène propylène amide 6 amide 6-6 amide ll ester te de méthyle 125I 28 0,250 0,306 0,274 0,270 0,195 0,243 0,299 #0,002 #0.003 #0.002 #0,002 #0,003 #0,003 #0,003 #0.001 0,185 0,192 241Am 60 0,205 0,187 0,183 0,184 0,187 0,175 0,190 0,188 0,192 #0,002 #0,001 #0,002 #0,001 #0,001 0,187 #0,002 #0,002 133Ba 80 0,141 0,143 0,138 0,135 0,142 0,145 0,138 0,139 #0,002 #0,004 #0,003 #0,004 #0,003 #0,003 #0,002 #0,002 153Gd 100 0,136 0,131 0,138 0,112 0,136 #0,002 #0,002 #0,002 #0,001 #0,001 133Ba 356 0,114 0,108 0,108 0,110 0,108 0,110 0,109 0,108 0,109 #0,001 #0,002 #0,002 #0,005 ~0,002 #0,002 #0,002 #0,002 #0,004 Cependant, il s'est avéré impossible de réaliser des pièces simulant le tissu osseux à partir de ces polymères. Selon l'invention, le polyester insaturé est obtenu, de préférence, par réaction d'estérification entre un polyalcool, un acide insaturé ou un anhydride d'acide insaturé, et un acide saturé ou un anhydride d'acide saturé. A titre d'exemple de polyalcools susceptibles d'être utilisés, on peut citer le glycol, le propylène glycol, l'hexanediol, lé diéthylène glycol et le proprylène glycol. A titre d'acides saturés susceptibles d'être utilisés, on peut citer l'acide succinique, l'acide adipique, l'acide orthophtalique, l'acide isophtalique et l'acide tétrahydrophtalique. A titre d'acides insaturés susceptibles d'être utilisés, on peut citer l1acide-maiéique, l'aci- de fumarique, l'acide itaconique, l'acide mésaconique et l'acide endométhylène tétrahydrophtalique. Les monomères susceptìbles d'être utilisés -pour la fabrication du copolymère de polyester insaturé sont choisis dans leXgroupe comprenant le styrène, la diacétoneacrylamide et les esters d'acide acrylique ou méthacrylique tels que l'acrylate ou le méthacrylate de butyle ou d'heptyle et le méthacrylate d'éthylène glycol. On peut utiliser un mélange de monomères in saturés -différents, par exemple un mélange de styrène et de diacétoneacrylamide ou un mélange de styrène et d'ester d'acide acrylique ou méthacrylique. De préférence, les monomères éthyléni-quement insaturés sont du styrène. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de pièces réalisées en ce matériau simulateur tissu osseux. Ce procédé consiste a) à mélanger intimement la poudre d'hydroxyapatite avec une phase liquide comprenant le polyester insaturé et les monomères éthyliquement insaturés, b) à couler le mélange dans un moule, et c) à durcir le mélange dans le moule par copolymérisation et réticulation selon un mécanisme radicalaire. Généralement, la phase liquide est constituée par une solution du polyester insaturé dans les monomères éthyléniquement insaturés. Toutefois, on peut si nécessaire utliser-des solvants à condition d'éliminer ceux-ci ultérieurement, par exemple par chauffage. La granulométrie de la poudre d'hydroxyapatite ne constitue pas un paramètre critique pour l'obtention de pièces présentant les propriétés requises. Toutefois, il convient d'utiliser une poudre ayant une granulométrie très inférieure à la dimension du faisceau de rayonnement- d'exploration, généralement une granulométrie inférieure à 200 iim. Selon l'invention, on peut réaliser la polymérisation et la réticulation par irradiation au moyen de rayonnements ionisants en présence du non d'activateur. Les rayonnements susceptibles d'entre utilisés sont les rayonnements X, les rayonnements y, les rayonnements ultravioets et les faisceaux d'électrons. La dose intégrée nécessaire pour réaliser la copolymérisation et la réticulation est d'environ 2 à 6 Mrad, et le débit de dose appliqué est avantag-e-use- ment d'environ 0-,1 à 0,5 Mrad/h. On peut aussi réaliser la copolymérisation et la réticulation au moyen d'un catalyseur de polymérisation, éventuellement en présence d'un activateur ou d'un accélérateur de polymérisation. A titre de catalyseurs susceptibles d'être utilisés, on peut citer les peroxydes comme le peroxyde de benzoyle, le peroxyde de méthyléthylcétone, le peroxyde de cyclohexanone, le peroxyde de lauryle, le peroxyde de dibuthyltertiaire, le peroxyde de cumène, et les peracides comme l'acide peracétique. Généralement, on réalise la réaction de copolymérisation et réticulation à chaud à une température modérée, par exemple d'environ 60 C, en présence ou non de 0,1 à 0,2% d'activateur ou d'accél-érateur, par exem- ple d'octoate de cobalt. Lorsque le mélange contient plus de 30% d'hydroxyapatite, on réalise de préférence la polymérisation par irradiation. Après le durcissement du mélange par polymérisation et réticulation, on démoule les pièces obtenues et on les soumet, si nécessai~ej à un usinage par tournage ou par fraisage pour pbtenir les formes appropriées. On peut ainsi réaliser des ensembles de piè- ces ayant la forme de cylindres creux simulateurs d'os ou de gradins juxtaposés dont la hauteur varie progressivement d'un gradin à l'autre, par exemple selon une progression géométrique de raison allant de 0,8 mm à 2,5 mm de hauteur, chacun des gradins etant percé d'un trou dont le diamètre est égal à la hauteur du gradin. Les pièces réalisées sous la forme de gradins juxtaposés dont la hauteur varie progressivement d'un gradin à l'autre, peuvent être utilisées en particulier comme indicateur de qualité d'images pour la radiogra phie. En effet, en radiographiant une de ces pièces en même temps que l'os examiné, on peut estimer le constraste et la définition du cliché radiographique. Des pièces réalisées sous la forme de cylindres creux, peuvent être utilisées comme étalons pour le diagnostic de maladies osseuses telles que l'ostéomalacie ou 1'ostéoporose. Dans le cas où ces bottes d'étalons sont destinées au diagnostic de l'ostéomalacie qui-correspond à une déminéralisation du cortex osseux sans variation de géométrie des os, la botte d'étalons comprend plusieurs pièces cylindriques creuses ayant les mêmes dimensions, mais ayant des teneurs différentes en hydroxyapatite. Dans-le cas où la botte d'étalons a été réalisée pour le diagnostic de l'ostéoporose qui correspond au contraire à un amincissement de l'os, les pièces sont réalisées sous la forme de cylindres creux ayant la même composition en hydroxyapatite et en copolymère et les mêmes diamètres- externes mais des diamètres internes qui varient dtune pièce à l'autre. On peut ainsi utiliser le matériau de l'invention pour la réalisation d'objets simulant l'os humain, utilisables en : - radiographie - radiographie quantitative ou radiodensitométrie - tomographie ou tomodensitographie - ostéodensimétrie, et - analyse par radioactivation "in vivo". D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemples suivants de préparation de pièces étalons en matériau simulateur du tissu-osseux de l'-invention, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif. Dans ces exemples, on a utilisé comme polyester insaturé un polyester commercialisé par Rhône-Pou lenc sous le nom de "Stratyl 116", qui est un polyester insaturé en solution dans environ 36% en poids de- sty- règne, ce polyester étant obtenu par réaction d'estérification entre l'anhydride maléique, l'anhydride phta -lique et le propylène glycol et répondant à la formule chimique suivante La charge minérale est de la poudre dthydro- xyapatite de granulométrie inférieure à 200 Vm. Pour diminuer la viscosité de la solution de ce polyester dans le styrène et faciliter son mélange avec l'hydroxyapatite en poudre, on dilue la solution avec environ 10% en poids de styrène. Les quantités d'hydroxyapatite ajoutées au mélange varient selon les exemples, ainsi que le mode de polymérisation et réticulation. Dans les exemples 1 à 4, on réalise la copolymérisation et la réticulation au moyen d'un peroxyde et dans-les exemples 5 à 7, on réalise la réticulation et la copolymerisation par irradiation au moyen de rayonnements ionisants. EXEMPLES 1 à 4 On chauffe le mélange Stratyl-styrène à 500C et on ajoute tout en agitant les quantités d'hydroxyapatite indiquées dans le tableau III qui suit, puis on ajoute 1% de peroxyde de benzoyle. On coule ensuite lemélange dans des moules en alliage léger ayant la forme d'empreintes cylindriques de 25 mm de diamètre et de 60 mm de hauteur, puis on ferme les moules et on réalise la copolymérisation et la réticulation dans une étuve à 600C pendant 16 heures, tout en faisant tourner les moules sur leur axe pour éviter une décantation de la charge d'hydroxyapatite. Les caractéristiques des pièces obtenues sont données dans le tableau III. EXEMPLES 5 à 7 On chauffe le mélange de Stratyl et de styrène ne à 80-90 C et on y ajoute les quantités d'hydroxyapatite données dans le tableau III. On coule ensuite le mélange dans des moules indentiques à ceux des exemples 1 à 4 et on soumet l'ensemble. aux rayonnements provenant d'une source de cobalt 6--fl, pendant un temps correspondant à une dose due 3,3 Mégarad avec un débit de dose de 0,2 Mégarad/h. On procède ensuite au démoulage. Les caractéristiques des pièces obtenues sont données dans le tableau III. On contr8le ensuite par absorptiométrie y (photons de 60 keV de l'américium 241) les pièces obtenues et l'on observe que les hétérogénéités de densité sont inférieures à 2% avec un faisceau ayant une section de 1,5x5 mm, sur une épaisseur de- 5.0 mm. On a par ailleurs déterminé expérimentalement le coefficient d'atténuation massique des pièces obtenues dans les exemples 1 et .7. Pour l'exemple 1, ce coefficient est de 0,188 avec une sou-rce de 241Am (60 keV) et de 0,108. avec une source de 133Ba (356 keV), ce qui correspond sensiblement au coeffi-- cient moyen d'atténuation massique des tissus organiques de l'os. Pour l'exemple 7, ce coefficient est de 0,296 avec une source de 241Am, ce qui correspond sensiblement au coefficient calculé 0,295 à partir de la composition de la pièce en prenant comme valeurs de coefficient 0,397 pour -l'hydroxyapatite et 0,188 pour le polyester. On usine ensuite les pièces pour obtenir des cylindres creux de 18 mm de diamètre extérieur et de 8 mm de diamètre intérieur, afin d'obtenir un. ensemble de pièces étalons utilisable pour le diagnostic de l'ostéomalacie. TABLEAU III Masse Concentration Exemples Polyester Hydroxyapatite volumique massique en hydroxyapatite (% massique) (% massique) (g.cm-3) (g.cm-3) 1 100 0 1,19 0 2 85,15 14,85 1,31 0,195 3 77,46 22,54 1 37 0,437 4 68,20 31,79 1,45 0,462 5 60,76 39,24 1,53 0,600 6 54,-93 45,07 1,60 0,721 7 48,64 51,36 1,65 0,847 REVENDICATIONS 1. Matériau simulateur du tissu osseux caractérisé en ce qu'il comprend - de 0 à 55% en poids d'hydroxyapatite dont la formule correspond à 3 moles de phosphate tricalcique Ca3 (PO4)2 pour une mole d'hydroxyde de calcium Ca (OH)2, et - de 45 à 100% en poids d'un matériau organique consti tué par un copolymère d'un polyester insaturé et de monomères éthyléniquement insaturés, le polyester insaturé représentant de 40 à 65% en poids du copoly mère et les monomères représentant de 35 à 60% en poids du copolymère, ledit copolymère ayant un coef ficient d'atténuation massique des rayonnements y et des rayonnements X proche de celui du tissu organique de l'os dans la gamme d'énergie allant de 10 à 500 keV et une masse volumique proche de celle du tissu organique de l'os. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition en C, H et O du copoly H mère est telle que le rapport en poids soit C + O + H de 0,02 à 0,12. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le copolymère contient- : - de 72,1 à 73,0% en poids de carbone, - de 21,6 à 21,9% en poids d'oxygène, - de 5,9 à 6,18 en poids d'hydrogène. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le polyester insaturé est obtenu par réaction d'estérification entre un polyalcool, un acide insaturé ou un anhydride d'acide insaturé, et un acide saturé ou un anhydride d'acide saturé. 5. Matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polyalcool est choisi dans le groupe comprenant le glycol, le propylèneglycol, l'hexane- diol, le diéthylène glycol et le dipropylène glycol. 6.- Matériau selon l'une quelconque de revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'acide saturé est choisi dans le groupe comprenant l'acide succinique, l'acidé adipique, 11 acide orthophtalique, l'acide isophtalique et l'acide tétrahydrophtalique. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'acide insaturé est choisi dans le groupe comprenant l'acide maléique, l'acide fumarique, l'acide itaconique, l'acide mésaconique et l'acide' endométhylènetétra-hydrophtalique. 8. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polyester insaturé répond à la for- - mule: HO-CH-CH- -CH2- ~ CH-CH2 - O-C-CH=CR-C-O -H CH3 O O CH3 Q o | m dans laquelle n et m représententle le nombre respectivement de motif phtalate et maléate dans la molécule de polyester insaturé.- 9. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,~caractérisé en ce que les monomères éthyléniquement insaturés sont choisis dans le groupe comprenant le styrène, la diacétone acrylamide et les esters d'acide acrylique ou méthacrylique. 10. Matériau selon l'une guelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les monomères éthyléniquement insaturés sont du styrène. 11. Procédé de fabrication des pièces en matériau-simulateur du tissu osseux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste a) à mélanger intimement la poudre d'hydroxyapatite avec une phase liquide comprenant le polyester insaturé et les monomères éthyléniquement insaturés, b) à couler le mélange ainsi obtenu dans un moule, c) à durcir le mélange dans le moule par copolymérisation et réticulation-selon un mécanisme radicala ire. 12. Procédé selon-la revendication 11, caractérisé en ce que l'on réalise la copolymérisation et la réticulation par irradiation au moyen de rayonnements ionisants. -13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on réalise la copolymérisation et la réticulation au moyen d'un çatalyseur -de polymerisa- tion. 14. Ensemble de pièces servant d'étalons pour le diagnostic de ltostéomalacie, caractérisé en ce que les pièces sont des pièces cylindriques creuses de mêmes dimensions réalisées en matériau simulateur du tissu osseux selon l'une quelconque des revendications 1. à 10, et-en ce que la teneur en hydroxyapatite des pièces varie d'une pièce à l'autre. 15. Ensemble de pièces servant d'étalons pour le diagnostic de l'ostéporose, caractérisé en ce que lesdites pièces sont réalisées en matériau simulateur du tissu osseux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, en ce que toutes les pièces ont la même composition et en ce quelles ont la forme de cylindres creux ayant le même diamètre externe mais un diamètre interne qui varie d'une-pièce à l'autre. 16. Indicateur-de qualité d'images radiographiques caractérisé en ce qu'il est constitué par une pièce en matériau simulateur du tissu osseux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ladite pièce ayant la forme de gradins juxtaposés dont la hauteur varie progressivement drun gradin à l'autre, chaque gradin étant percé d'un trou dont le diamètre est égal à la hauteur du gradin.