Evaluation multi-échelle de la qualité osseuse par ultrasons

par Mathilde Mouchet

Thèse de doctorat en Acoustique Physique

Sous la direction de Pascal Laugier.

Soutenue en 2012

à Paris 7 .


  • Résumé

    Une meilleure compréhension de la qualité osseuse, en particulier celle de l'os cortical où se produit la majorité des fractures, nécessite une meilleure connaissance des déterminants de l'élasticité osseuse. L'os cortical ayant une structure hiérarchique, ses propriétés élastiques doivent être décrites par une approche multi-échelle. Ainsi, nous explorons à de multiples échelles les relations existant entre la structure et les propriétés élastiques de l'os cortical via des méthodes ultrasonores. A l'échelle mésoscopique, nous montrons que les changements de porosité intracorticale prévalent sur les variations de l'élasticité de la matrice pour gouverner les variations de l'élasticité de l'os à l'échelle mésoscopique. Puis, nous nous intéressons au comportement mécanique local du tissu osseux dont Pendommagement et le remodelage osseux dépendent. Des analyses par éléments finis combinées à des méthodes expérimentales (microscopie acoustique à balayage (SAM) et microextensométrie) démontrent que le champ des déformations locales est non seulement affecté par la microstructure mais aussi par les propriétés élastiques hétérogènes de la matrice. Finalement, nous examinons l'origine de l'hétérogénéité des propriétés élastiques de la matrice à l'échelle d'une lamelle ostéonale. Basés sur une approche multimodale (SAM, diffusion des rayons X aux petits angles, microtomographie Synchrotron), nos résultats montrent pour la première fois que les modulations d'élasticité observées le long de l'osteon sont essentiellement déterminées par l'orientation des nanoparticules de minéral et, dans une moindre mesure, par la taille et la densité des particules.

  • Titre traduit

    Multiscale investigation of bone quality using ultrasound


  • Résumé

    There is a need for better understanding of bone quality through the intimate link to its elastic properties, particularly in cortical bone where a majority of fractures occur. The elastic properties of cortical bone tissue must be described in a multiscale framework: the structure and mechanical properties at one hierarchical level determine the properties of the subsequent one. Our objective is to improve knowledge of the determinants of cortical bone elasticity at different scales. For that purpose, we explore at multiple length scales the relationships between the structure and elastic properties of human cortical bone tissue assessed via quantitative ultrasonic methods. At the mesoscale, we find that the changes in the intracortical porosity prevail over those of matrix elasticity to drive the variations of bone mesoscopic elasticity. Then, we look at the local mechanical behavior of bone tissue, on which both damage and remodeling are dependent. Combined finite element analyses and experiments (scanning acoustic microscopy (SAM) and microextensometry) demonstrate that the local strain field is not only driven by the microstructure but also strongly affected by the heterogeneous elastic properties of the matrix. Finally, we investigate the origin of the matrix heterogeneous elastic properties at the scale of an osteon lamella. Based on a multimodal approach (SAM, small-angle X-ray scattering, Synchrotron microtomography), our results provide the first evidence that the modulations of elasticity across osteonal bone are essentially determined by the orientation of the mineral nanoparticles and to a lesser extent only by the particle size and density.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (144 p.)
  • Annexes : 207 réf.

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  • Bibliothèque : Université Paris Diderot - Paris 7. Service commun de la documentation. Bibliothèque Universitaire des Grands Moulins.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2012) 063
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