Caractérisation ultrasonore de la qualité osseuse : application à la chirurgie orthopédique

par Séraphin Guipieri

Thèse de doctorat en Physiopathologie

Sous la direction de Guillaume Haïat.

Soutenue le 08-07-2015

à Paris Est , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Créteil ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil) (laboratoire) et de Institut Mondor de recherche biomédicale (laboratoire) .

Le président du jury était Yoshiki Nagatini.

Le jury était composé de Guillaume Haïat, Vincent Mathieu, Vu Hieu Nguyen.

Les rapporteurs étaient Serge Dos Santos, Pierre Belanger.


  • Résumé

    La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur.

  • Titre traduit

    Ultrasonic characterization of bone quality : application to orthopedic surgery


  • Résumé

    Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.


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