Predicting bone strength with ultrasonic guided waves

par Quentin Vallet

Thèse de doctorat en Acoustique physique

Sous la direction de Pascal Laugier et de Jean-Gabriel Minonzio.

Le président du jury était Régis Marchiano.

Le jury était composé de Christian Roux.

Les rapporteurs étaient Claire Prada, Marc Deschamps.

  • Titre traduit

    Prédiction de la résistance osseuse à partir de la mesure d’ondes guidées ultrasonores


  • Résumé

    Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une sonde ultrasonore afin d'obtenir des nouveaux biomarqueurs de l'os cortical et améliorer la prédiction du risque de fracture. Notre approche se base sur la mesure des ondes guidées ultrasonores dans l'os cortical. La technique de transmission axiale bidirectionelle a été utilisée pour mesurer les modes guidées se propageant dans l'enveloppe corticale des os longs (i.e., le radius). Les propriétés matérielles et structurelles liées à la résistance osseuse ont été obtenues à partir des courbes de dispersion en utilisant un schéma d'inversion. Ainsi, un problème inverse totalement automatique, basé sur une optimisation par algorithmes génétiques et un modèle 2D de plaque libre transverse isotrope, a été développé. Cette procédure d'inversion a d'abord été testée sur des matériaux contrôlés avec des propriétés connues. Puis, la faisabilité d'obtenir des propriétés corticales sur des radii ex vivo a été montrée. Ces estimations ont été validées par comparaison avec des valeurs de référence obtenues avec des techniques indépendantes telles que la micro-tomodensitométrie par rayons X (épaisseur, porosité) et la spectroscopie par résonance ultrasonore (élasticité). Un bon accord a été trouvé entre les valeurs de référence et les estimations d'épaisseur, de porosité et d'élasticité. Enfin, la méthode a été étendue à des mesures in vivo. La validité du modèle en présence de tissus mous a d'abord été démontrée. Puis, les propriétés osseuses ont été obtenues sur des sujets sains. Un bon accord a été trouvé entre l'épaisseur estimée et les valeurs de référence obtenues par tomodensitométrie périphérique haute résolution.


  • Résumé

    We aimed at developing new ultrasound-based biomarkers of cortical bone to enhance fracture risk prediction in osteoporosis. Our approach was based on the original concept of measuring ultrasonic guided waves in cortical bone. The bi-directional axial transmission technique was used to measure the guided modes propagating in the cortical envelope of long bones (i.e., the radius). Strength-related structural and material properties of bone were recovered from the dispersion curves through an inversion scheme. To this goal, a fully automatic inverse problem based on genetic algorithms optimization, using a 2-D transverse isotropic free plate waveguide model was developed. The proposed inverse procedure was first tested on laboratory-controlled measurements performed on academic samples with known properties. Then, the feasibility of estimating cortical properties of ex vivo radius specimens was assessed. The inferred bone properties were validated by face-to-face comparison with reference values determined by a set of independent state-of-the art technologies, including X-ray micro-computed tomography (thickness, porosity) and resonance ultrasound spectroscopy (stiffness). A good agreement was found between reference values and estimates of thickness, porosity and stiffness. Lastly, the method was extended to in vivo measurements, first, by ensuring the validity of the waveguide model in presence of soft tissues to demonstrate the feasibility of measuring experimental dispersion curves in vivo and infer from them bone properties. Estimated cortical thickness values were consistent with actual values derived from high resolution peripheral computed tomography.

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