Cortical bone assessment using linear and non linear acoustics. Application to bone micro damage assessment.
Evaluation ultrasonore de l'os cortical par des méthodes d'acoustique linéaire et non linéaire. Application à l'évaluation du micro endommagement osseux.
Résumé
This work is about ultrasonic characterization of cortical bone quality in vitro.
In the first part, different axial transmission technique for cortical bone assessment are compared. Ultrasonic properties measured at different frequencies at the radius in vitro are compared to quantitative tomography (pQCT) properties, as well as to mechanical properties. There is no doubt that the ultrasonic parameters are capable to predict bone mechanical properties, but they may only be able to bring additional information over that brought by the pQCT parameters (currently clinically used) in a multi-parameters, multi-frequencies approach.
In the second part, another parameter influencing bone quality is studied : micro damage. We used nonlinear acoustic techniques, used in other fields for material's damage assessment. Using Nonlinear Ultrasound Spectroscopy techniques, we demonstrated the sensitivity of nonlinear acoustic parameters to progressively accumulated damage in bone in vitro. Interestingly, an exponential relationship between the nonlinear acoustic parameter and the age of donors has been found. This allowed to show the potential of nonlinear acoustics for bone micro damage characterization, even though more work has to be conducted for the in vivo application of the technique.
The main result of this work is the fact that the potential of ultrasound for fracture risk assessment probably relies on a multi-frequencies, multi-parameters approach.
In the first part, different axial transmission technique for cortical bone assessment are compared. Ultrasonic properties measured at different frequencies at the radius in vitro are compared to quantitative tomography (pQCT) properties, as well as to mechanical properties. There is no doubt that the ultrasonic parameters are capable to predict bone mechanical properties, but they may only be able to bring additional information over that brought by the pQCT parameters (currently clinically used) in a multi-parameters, multi-frequencies approach.
In the second part, another parameter influencing bone quality is studied : micro damage. We used nonlinear acoustic techniques, used in other fields for material's damage assessment. Using Nonlinear Ultrasound Spectroscopy techniques, we demonstrated the sensitivity of nonlinear acoustic parameters to progressively accumulated damage in bone in vitro. Interestingly, an exponential relationship between the nonlinear acoustic parameter and the age of donors has been found. This allowed to show the potential of nonlinear acoustics for bone micro damage characterization, even though more work has to be conducted for the in vivo application of the technique.
The main result of this work is the fact that the potential of ultrasound for fracture risk assessment probably relies on a multi-frequencies, multi-parameters approach.
Ce travail de thèse porte sur la caractérisation ultrasonore de la qualité osseuse de l'os cortical in vitro.
La première partie compare plusieurs techniques d'évaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale. Les propriétés ultrasonores mesurées à différentes fréquences au radius in vitro sont comparées à celles mesurées par tomographie quantitative (pQCT) ainsi qu'aux propriétés mécaniques des échantillons. Il en ressort que si les paramètres ultrasonores sont indiscutablement capables de prédire les propriétés mécaniques, leur apport sur les paramètres pQCT (actuellement mesurés en clinique) n'est envisageable que dans le cas d'une approche multi-fréquences et multi-paramètres.
La seconde partie porte sur l'étude du micro endommagement, impliqué dans la fragilisation de l'os. Nous avons fait appel à des paramètres ultrasonores nonlinéaires, qui ont fait leurs preuves dans d'autre domaines pour la mesure de l'endommagement des matériaux. Nous avons montré, en utilisant la technique de Spectroscopie Nonlinéaire Ultrasonore en Résonance, la sensibilité du paramètre ultrasonore nonlinéaire a l'endommagement progressivement accumulé dans l'os in vitro. Une relation exponentielle entre le paramètre ultrasonore nonlinéaire et l'âge des donneurs a été mise en évidence. Ceci a permis de montrer le potentiel de l'acoustique non linéaire pour la détection du micro endommagement osseux, même si des efforts doivent encore être fournis pour l'application in vivo de la méthode.
De façon plus générale, il ressort de ces travaux que le potentiel des ultrasons pour l'évaluation de la qualité osseuse réside probablement dans une approche multi-fréquences, multi-paramètres.
La première partie compare plusieurs techniques d'évaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale. Les propriétés ultrasonores mesurées à différentes fréquences au radius in vitro sont comparées à celles mesurées par tomographie quantitative (pQCT) ainsi qu'aux propriétés mécaniques des échantillons. Il en ressort que si les paramètres ultrasonores sont indiscutablement capables de prédire les propriétés mécaniques, leur apport sur les paramètres pQCT (actuellement mesurés en clinique) n'est envisageable que dans le cas d'une approche multi-fréquences et multi-paramètres.
La seconde partie porte sur l'étude du micro endommagement, impliqué dans la fragilisation de l'os. Nous avons fait appel à des paramètres ultrasonores nonlinéaires, qui ont fait leurs preuves dans d'autre domaines pour la mesure de l'endommagement des matériaux. Nous avons montré, en utilisant la technique de Spectroscopie Nonlinéaire Ultrasonore en Résonance, la sensibilité du paramètre ultrasonore nonlinéaire a l'endommagement progressivement accumulé dans l'os in vitro. Une relation exponentielle entre le paramètre ultrasonore nonlinéaire et l'âge des donneurs a été mise en évidence. Ceci a permis de montrer le potentiel de l'acoustique non linéaire pour la détection du micro endommagement osseux, même si des efforts doivent encore être fournis pour l'application in vivo de la méthode.
De façon plus générale, il ressort de ces travaux que le potentiel des ultrasons pour l'évaluation de la qualité osseuse réside probablement dans une approche multi-fréquences, multi-paramètres.