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Évaluation des coefficients élastiques de l’os par microscopie acoustique : influence des phases minérale et organique et retentissement au niveau de la biomécanique osseuse.

Doctorant : Fabienne RUPIN

Directeur de thèse : Pascal LAUGIER / Amena SAIED

Sujet : Évaluation des coefficients élastiques de l’os par microscopie acoustique : influence des phases minérale et organique et retentissement au niveau de la biomécanique osseuse.

Etablissement : Université Paris VII / Paris XI

Date de soutenance : MAI 2009

Résumé :

- Résumé de la thèse

Cette thèse visera trois objectifs :

Il s’agira dans un premier temps de valider l’approche quantitative par microscopie acoustique à balayage pour l’évaluation des coefficients élastiques du tissu osseux. Cette étape nécessitera la mise en place d’un protocole de mesure d’échantillons osseux par microscopie acoustique et par nanoindentation. La nanoindentation consiste à mesurer localement les propriétés élastiques de l’os, mais ne permet pas d’obtenir une image. Le module d’Young et la dureté de l’os peuvent être déterminés sur des profondeurs très faibles de l’ordre de la centaine de nanomètres avec une résolution spatiale de l’ordre de quelques microns. Cette première phase nécessitera la calibration de chacune des mesures, l’analyse des sources d’erreurs et la comparaison des résultats obtenus sur différentes zones bien différenciées par leur degré de minéralisation. L’avantage de la microscopie acoustique ainsi validée réside dans la possibilité de cartographier les coefficients élastiques alors que la nanoindentation ne délivre les mesures qu’en un nombre limité de points.

Le deuxième volet de la thèse consistera à comprendre l’influence des phases minérale et organique sur les mesures des coefficients élastiques. Autrement dit, il s’agit là de comprendre l’impact des constituants osseux à l’échelle nanométrique sur des mesures qui sont faites à l’échelle microscopique. Pour cela, la technique de microscopie acoustique quantitative sera utilisée conjointement avec les techniques de micro-tomographie et de spectroscopie infra-rouge ou Raman. La micro-tomographie par rayonnement synchrotron donne accès à la quantité de minéral porté par le tissu. La spectroscopie par absorption infra-rouge et diffusion Raman permettent quant à elles de déterminer les caractéristiques des phases minérale (hydroxyapatite) et organique (collagène). Les expérimentations porteront sur la caractérisation d’os de souches de souris dont les modifications osseuses (génétiquement connues) sont associées à des modifications du degré de pontage et de la minéralisation de la matrice de collagène. Cette phase devrait permettre de mieux connaître les déterminants de l’élasticité du tissu osseux et l’influence de caractéristiques telles que l’arrangement spatial et le degré de pontage des fibres de collagène, la taille et la composition des microcristaux d’hydroxyapatite.

Le troisième objectif sera de déterminer la relation entre les propriétés élastiques microscopiques et les propriétés mécaniques macroscopiques de l’os. L’étudiant devra contribuer à la formalisation de modèles mécaniques du tissu osseux pertinents pour l’analyse de l’interaction os-ultrasons. Ces modèles feront appels aux concepts de la micromécanique afin d’établir un lien entre les propriétés microscopiques et les propriétés macroscopiques. Les modèles seront établis à partir de données obtenues lors des deux premières phases expérimentales. Pour le passage micro-macro seront utilisées en parallèle des méthodes numériques (éléments finis) et des méthodes analytiques d’homogénéisation mutli-échelles. Les résultats attendus sont i) établir des corrélations entre données microscopiques et données ultrasonores ou biomécaniques macroscopiques, ii) fournir des modèles mécaniques permettant d’expliquer les corrélations observées et iii) fournir des modèles permettant d’alimenter les modélisations numériques (éléments finis des biomécaniciens, différences finies des acousticiens).

- Retombées du projet de recherche

L’accès aux caractéristiques élastiques à l’échelle du tissu permettront une meilleure connaissance sur la biomécanique osseuse. Cette recherche, par nature interdisciplinaire à l’interface entre les sciences de la vie et les sciences pour l’ingénieur, ouvre plusieurs perspectives intéressantes comme :

le phénotypage osseux des modèles animaux la caractérisation des modifications du tissu normal qu’il s’agisse du vieillissement, d’évaluations thérapeutiques, de stimulations mécaniques, etc… une meilleure prédiction de la propagation ultrasonore l’initiation de l’étude de la relation qui existe entre les caractéristiques élastiques et la présence (et la propagation) de micro fissures

- Bibliographie

Laugier P, Berger G. Procédé et dispositif d’évaluation et de caractérisation des propriétés des os, 1994, Brevet Français n° 94 33555 ; Brevet Européen n° 95 914 421.1 ; Brevet USA n° 5 806 520.

Chaffaï S, Roberjot V, Peyrin F, Berger G, Laugier P. Frequency dependence of ultrasonic backscattering in cancellous bone : Theoretical modeling and experimental results. J Acoust Soc Am, 108(5), 2403-2411, 2000.

Camus E., Talmant M., Berger G., Laugier P. Analysis of the axial transmission technique for the assessment of skeletal status. J Acoust Soc Am 108(6), 3058-3065, 2000. Roux C., Roberjot V., Porcher R., Kolta S., Dougados M., Laugier P. Ultrasonic backscatter and transmission parameters at the os calcis in post-menopausal osteoporosis J Bone Miner Res 16, 1353-1362, 2001.

Talmant M, Bossy E, Laugier P. Procédé, sonde et appareil pour évaluer de manière non-invasive une durée de parcours ou une vitesse d’ultrasons le long d’une interface, notamment osseuse. Demande de brevet français déposée le 27 Mai 2002 - sous le n° 0206435, Extension internationale PCT/FR03/01565 n° de Publication WO 03/099133 A1.

Talmant M, Bossy E, Laugier P. Procédé, sonde et appareil pour caractériser par voie ultrasonore un milieu d’étude, en particulier la couche cortical d’un os. Demande de brevet français déposée le 27 Mai 2002 - sous le n° 0206435 Extension internationale PCT/FR03/01564, n° de Publication WO 03/099132 A1.

Chaffaî S, Peyrin F, Nuzzo S, Porcher R, Berger G, Laugier P. Ultrasonic Characterization of human cancellous bone using transmission and backscatter measurements : relationships to density and micro-structure. Bone, 30, 229-237, 2002 Bossy E, Talmant M, Laugier P. Effect of bone cortical thickness on velocity measurements using ultrasonic axial transmission : a 2D simulation study. J Acoust Soc Am, 112, 297-307, 2002.

Gomez MA, Defontaine M, Giraudeau B, Camus E, Colin L, Laugier P, Patat F. In vivo performance of a matrix-based quantitative ultrasound imaging device dedicated to calcaneus investigation. Ultrasound Med Biol. 2002 Oct ;28(10):1285-93.

Ouedraogo E, Lasaygues P, Lefebvre JP, Gindre M, Talmant M, Laugier P . Contrast and velocity ultrasonic tomography of long bones. Ultrasonic Imaging, 24, 135-156, 2002. Padilla F, Peyrin F, Laugier P. Prediction of backscatter coefficient in trabecular bones using a numerical model of 3D microstructure. J Acoust Soc Am, 113(2), 1122-1129, 2003.

Jenson F, Padilla F, Laugier P. Prediction of frequency-dependent ultrasonic backscatter in cancellous bone using statistical weak scattering model. Ultrasound in Medicine and Biology 29 : 455-464, 2003.

Bossy E., Talmant M., Defontaine M., Patat F., Laugier P. Bi-directional axial transmission improves accuracy and precision of ultrasonic velocity measurement in cortical bone. IEEE Ultrasonics Ferroelec Freq Contr, 51(1), 71-79, 2004.

Bossy E, Talmant M, Laugier P. 3-D simulations of ultrasonic axial transmission velocity measurement on cortical bone models. J Acoust Soc Am 115, 2314-2324,2004.

Bossy E, Talmant M, Defontaine M, Patat F, Laugier P. Bidirectional axial transmission can improve accuracy and precision of ultrasonic velocity measurement in cortical bone : a validation on test materials. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2004 Jan ;51(1):71-9.

Defontaine M, Bonneau S, Padilla F, Gomez MA, Nasser Eddin M, Laugier P, Patat F. 2D arrays device for calcaneus bone transmission : an alternative technological solution using crossed beam forming.Ultrasonics. 2004 Apr ;42(1-9):745-52.

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