Evaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale : modélisation et expérimentation in vitro et in vivo.

Emmanuel Bossy (1)

1 LIP - Laboratoire d'Imagerie Paramétrique

The so-called ultrasonic axial transmission technique allows to assess cortical bone status, based on velocity measurements. This technique is investigated in this work through numerical simulations of the involved propagation on one hand, and through an experimental work on the other hand. A finite differences code has been implemented to model wave propagation in cortical bone, by simulating 3D elastic propagation in anisotropic and heterogeneous media. With this code, the nature of the ultrasonic wave propagating along cortical shells is investigated, as a function of bone parameters such as geometry (cortical thickness, curvature) or intracortical microporosity. In parallel, a prototype has been developed and modified to suit clinical measurements requirements. In particular, new probes have been designed and validated, allowing reproducible measurements on cortical bone both in vivo and in vitro, based on a bidirectional transmission principle. An in vitro study has been carried out on 50 human radius, combining ultrasonic measurements to X rays measurements (conventional medical scanner and Synchtrotron microtomography). For the first time, we evaluated respective effects of materiel bone mineral density and microporosity on axial transmission velocity measurements. A clinical study is currently carried on, with 150 measured subjects so far. In vivo reproducibility has been shown to be appropriate, thanks to bidirectional transmission. We present preliminary results concerning age effect.

La technique dite de transmission axiale permet une évaluation ultrasonore de l'os cortical, à partir d'une mesure de vitesse. Cette technique est étudiée dans la présente thèse d'une part en modélisant par simulation numérique les phénomènes de propagation mis en jeu, d'autre part à travers une approche expérimentale. Un code de simulation de la propagation tridimensionnelle dans les milieux élastiques anisotropes et hétérogènes, reposant sur un schéma aux différences finies, a été implémenté pour répondre aux contraintes spécifiques de la propagation dans l'os cortical. A l'aide d'un tel code, la nature de l'onde se propageant le long de la corticale des os long est étudiée, en fonction de paramètres osseux tels que la géométrie de l'os (épaisseur corticale, courbure) ou la microporosité intracorticale. Parallèlement, un dispositif expérimental a été développé et adapté au contexte de mesures cliniques. En particulier, un nouveau de type de sonde permettant une mesure reproductible sur l'os (in vivo et in vitro) a été conçu et validé expérimentalement. L'originalité du dispositif tient à la possibilité d'une transmission bidirectionnelle implémentée pour s'affranchir de l'effet des tissus mous. Une étude in vitro a été réalisée sur une cinquantaine de radius humain, combinant les mesures ultrasonores de vitesse en transmission axiale à des mesures par rayons X (scanner médical conventionnel et microtomographie Synchrotron). Pour la première fois, nous avons évalué l'effet respectif de la densité minérale matérielle osseuse et de la microporosité sur la mesure de vitesse ultrasonore. Une campagne de mesure clinique est actuellement en cours, 150 patients et témoins ayant été mesurés à ce jour. La reproductibilité des mesures s'est avérée satisfaisante in vivo, grâce au concept de transmission bidirectionnelle. Nous présentons des résultats préliminaires concernant l'effet de l'âge.

Mots clés: Ultrasons; os cortical; transmission axiale; modélisation; différences finies; contrôle non destructif; évaluation osseuse in vivo; évaluation osseuse in vitro

Domaines: Autre; Biophysique [physics.bio-ph]

Emmanuel Bossy. Evaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale : modélisation et expérimentation in vitro et in vivo.. Autre. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00003220⟩