Assessment of cortical bone with quantitative ultrasound in through transmission: numerical and experimental study of circumferential waves for femoral neck mechanical strength characterization

Evaluation ultrasonore de l'os cortical en transmission transverse : étude numérique et expérimentale de la propagation d'ondes circonférentielles pour la caractérisation de la résistance mécanique du col fémoral

Julien Grondin (1)

1 LIP - Laboratoire d'Imagerie Paramétrique

Quantitative ultrasound measurements at a skeletal site can assess bone quality. Our objective is to evidence and exploit waves that propagate circumferentially in the cortical shell of the femoral neck in order to characterize hip strength. Numerical simulations of wave propagation in femoral neck cross-sections were performed to investigate the phenomena involved. It was shown that the first arriving signal (FAS) in through transmission was always associated with circumferential waves. A strong correlation between time-of-flight of the FAS (TOFFAS) and geometrical parameters related to bone strength was observed. Circumferential waves were found to be sensitive to porosity and elasticity of the cortical shell. An experimental ultrasonic set-up was designed to investigate the relationship between TOFFAS and the bone strength obtained by mechanical testing. A first series of measurements on nine samples showed that TOFFAS can predict proximal femur strength (R ² = 0.79) at least as well as the reference technique (R ² = 0.78) using X-rays. This experimental setup can be optimized and combined to an existing ultrasound device dedicated to proximal femur in order to increase fracture risk prediction. We propose as a future perspective the use of DORT method to determine the phase velocity of circumferential waves in femoral neck from which geometrical and material properties of bone could be deduced.

Les mesures ultrasonores en transmission transverse permettent d'évaluer un site osseux. Notre objectif est de mettre en évidence et d'exploiter les ondes qui se propagent circonférentiellement dans la coque corticale du col fémoral pour caractériser la résistance de la hanche à la fracture. Des simulations numériques de la propagation d'ondes dans des sections transverses de col du fémur ont été réalisées pour étudier les phénomènes mis en jeu. Nous avons montré que le premier signal (« first arriving signal », FAS) en transmission transverse est toujours associé aux ondes circonférentielles. Une forte corrélation entre le temps de vol du FAS (TOFFAS) et des paramètres géométriques liés à la résistance osseuse (R² = 0.87 pour le moment d'inertie minimum) a été observée. Les ondes circonférentielles se sont révélées être sensibles à la porosité et à l'élasticité de la coque corticale. Un montage ultrasonore expérimental a été conçu afin d'étudier la relation entre TOFFAS et la résistance à la fracture obtenue par test mécanique. Une première série de mesures sur neuf échantillons a montré que TOFFAS peut prédire la résistance mécanique de l'extrémité supérieure du fémur (R² = 0.79) au moins aussi bien que la technique de référence (R² = 0.78) utilisant les rayons-X. Ce montage expérimental peut être optimisé et combiné au scanner ultrasonore du col du fémur existant pour augmenter le niveau de prédiction du risque de fracture. Nous proposons comme perspective l'utilisation de la méthode DORT pour déterminer les vitesses de phase des ondes circonférentielles dans le col du fémur à partir desquelles la géométrie et les propriétés matérielles de l'os pourraient être déduites.

Mots clés: quantitative ultrasound; circumferential waves; proximal femur; cortical bone; bone strength

Mots clés: méthodes ultrasonores; ondes circonférentielles; Extrémité supérieure du fémur; os cortical; résistance osseuse

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]

Julien Grondin. Evaluation ultrasonore de l'os cortical en transmission transverse : étude numérique et expérimentale de la propagation d'ondes circonférentielles pour la caractérisation de la résistance mécanique du col fémoral. Acoustique [physics.class-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00556023⟩