L'osteoporosi és una malaltia òssia que es manifesta amb una menor densitat òssia i un deteriorament de l'arquitectura de l'os esponjós. Tots dos factors augmenten la fragilitat òssia i el risc de patir fractures, especialment en dones, on hi ha una alta prevalença. El diagnòstic actual de l'osteoporosi consisteix en la quantificació de la densitat mineral òssia (DMO) mitjançant tècniques d’absorciometria dual de raigs X (DXA). Tanmateix, la DMO no es pot considerar de manera aïllada per a l’avaluació del risc de fractura o dels efectes terapèutics. Altres factors, com ara la disposició de les trabècules a nivell microestructural i les seves característiques s’han de tenir en compte per determinar la qualitat de l'os i avaluar de manera més directa el risc de fractura.
Els avenços tècnics de les modalitats d'imatge mèdica, com la tomografia computada multidetector (MDCT), tomografia computada perifèrica quantitativa (HR-pQCT) i la ressonància magnètica (RM) han permès l'adquisició in vivo amb alta resolució espacial. L'estructura de l'os trabecular pot ser observada amb un gran nivell de detall utilitzant aquestes tècniques. En particular, l'ús dels equips de RM de 3 tesles (T) ha permès l'adquisició a resolucions espacials molt elevades. A més, el bon contrast que s’obté entre l’os i la medul•la en les imatges de RM, així com la utilització de radiacions no ionitzants fan d’aquesta tècnica una ferramenta idònia per a la caracterització in vivo de l'os trabecular en la malaltia de l'osteoporosi.
En aquesta tesi, els nous desenvolupaments metodològics per a la caracterització de la morfometria i les propietats mecàniques de l’os trabecular en tres dimensions (3D) s'apliquen a adquisicions d'alta resolució provinents de RM de 3T. L'anàlisi morfomètric està composta per diferents algorismes dissenyats per quantificar la morfologia, la complexitat, la topologia i els paràmetres d’anisotropia del teixit trabecular. Quant a la caracterització mecànica, s’han desenvolupat nous mètodes per a la simulació automatitzada de l'estructura de l'os trabecular en condicions de compressió i el càlcul del mòdul d'elasticitat.
La metodologia desenvolupada es va aplicar a una població de subjectes sans amb la finalitat d'obtenir els valors de normalitat de l'os esponjós. Els algorismes s'han aplicat també a una població de pacients amb osteoporosi per tal de quantificar les variacions dels paràmetres de la malaltia i avaluar les diferències amb els resultats obtinguts en un grup sa d’edat similar.
Finalment, es va realitzar una avaluació de la reproductibilitat dels mètodes mitjançant el càlcul dels paràmetres de morfometria i de comportament mecànic a partir de les adquisicions de RM de 5 tèbies d'ovella repetides en tres dies consecutius. Es va realitzar a més una validació de les mesures mitjançant la comparació dels resultats de RM amb els obtinguts mitjançant l’aplicació de la metodologia a les mostres de tíbia adquirides amb microtomografia computada (µCT), que proporciona una resolució espacial molt elevada. 
Els desenvolupaments metodològics proposats i  les aplicacions clíniques presentades ofereixen resultats satisfactoris, amb una alta sensibilitat dels paràmetres a les variacions del teixit trabecular principalment influenciades pel sexe i el grau d'osteoporosi. D'altra banda, els mètodes tenen una alta reproductibilitat i precisió en la quantificació dels paràmetres morfomètrics i mecànics. Aquests resultats reforcen l'ús dels paràmetres morfomètrics i mecànics presentats com a biomarcadors d'imatge en la malaltia de l'osteoporosi.