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Ondes guidées dans l’os cortical : vers la mesure clinique

Titre : Ondes guidées dans l’os cortical : vers la mesure clinique.

La thèse sera co-encadrée par Pascal Laugier (directeur de thèse) et Jean-Gabriel Minonzio (CR CNRS)

Contexte

Le cadre général du travail de l’équipe du Laboratoire d’Imagerie Paramétrique (LIP, UMR 7623) est l’évaluation de la résistance osseuse afin d’améliorer à terme la prédiction clinique du risque de fracture. Cette évaluation n’est pas aisée du fait de la complexité du matériau. En effet, la résistance osseuse dépend à la fois des propriétés élastiques et géométriques de l’os considéré. Or la technique de référence actuelle, les rayons X, mesure un seul paramètre : l’absorption liée à la quantité de minéral traversée par le rayon. Les ondes ultrasonores guidées par l’épaisseur corticale sont sensibles aux propriétés élastiques et géométriques du milieu traversé. Elles présentent donc un fort potentiel pour établir une évaluation multi-paramétrique de l’os cortical. Ce potentiel est exploité depuis une dizaine d’années notamment au LIP. Cependant, deux difficultés limitent actuellement ce point de vue : d’une part la mesure (nombre de capteurs, bande passante, rapport signal à bruit, accessibilité du site…) mais aussi l’interprétation du signal ultrasonore. En effet, la plupart des techniques ultrasonores actuelles reposent sur une détermination de vitesse par une mesure temporelle de temps de vol, par exemple du premier signal ou du signal le plus énergétique, une étude clinique a montré que la vitesse du premier signal permet de discriminer des patients sains de patients ostéoporotiques fracturés. Dans ces deux cas, seule une partie du signal enregistré est exploitée. Une méthode de traitement du signal originale a récemment été proposée par Jean-Gabriel Minonzio au laboratoire. Cette méthode, adaptée aux capteurs développés et brevetés pour les mesures cliniques au LIP, permet l’exploitation de l’intégralité des signaux enregistrés. Elle repose sur l’utilisation de réseaux de capteurs ultrasonores à la fois en émission et en réception. La décomposition en valeurs singulières (SVD) de la matrice de transmission entre les deux réseaux, pour différentes fréquences, permet d’évaluer les fréquences spatiales des ondes guidées se propageant dans l’objet inspecté, le long du réseau de réception. La méthode a tout d’abord été validée sur des plaques de fantôme d’os cortical (matériau absorbant et isotrope transverse) d’épaisseur constante dont les propriétés élastiques et géométriques ont été mesurées indépendamment. Cette méthode a donné lieu à un dépôt de brevet et une start up est en cours de création. Ce projet a reçu en 2011 le soutien du centre francilien d’innovation (CFI), qui a accordé au laboratoire une Aide à la Maturation de Projets Innovants (AIMA).

Objectifs

L’objectif principal de la thèse est l’adaptation de la méthode de mesure (acquisition des données, traitement du signal), à la mesure clinique. Plusieurs étapes seront nécessaires pour passer du « guide d’onde de référence » (plaque ou tube d’épaisseur constante) à l’os in vivo. Ces fantômes d’os calibrés sont constitués de fibres de verre dans une résine epoxy (Sawbones©). Deux difficultés ont été d’ores et déjà prise en compte : l’absorption et l’anisotropie du matériau.

La première partie de l’étude portera sur des guides d’ondes de géométries plus complexes que la plaque et d’élasticité connue (fantômes d’os) : tubes, plaques d’épaisseur continûment variable, moulage d’os. La seconde étape sera de prendre en compte l’influence des tissus mous. Des expériences seront menées avec différents fantômes : silicone, glycérol, fantôme commercial. Des échantillons in vitro (radius, côte, tibia) seront également mesurés, avec et sans fantôme de tissus mous. A chaque étape, le traitement du signal permettant l’extraction des fréquences spatiales des ondes guidées devra être adapté et optimisé. L’objectif suivant sera de relier les fréquences spatiales expérimentales aux propriétés géométriques et élastiques des guides d’onde étudiés. Ce travail a déjà été abordé dans le cas du guide d’onde de référence (plaque anisotrope absorbante). Les différents modes obtenus expérimentalement avec les sondes cliniques permettent d’évaluer les propriétés du guide d’onde : épaisseur et coefficients élastiques . Celles ci sont obtenues en minimisant l’écart entre fréquences spatiales expérimentales et théoriques dans toute la bande passante, pour les différents modes. Les branches des modes à fréquence de coupure ont été plus particulièrement étudiés. Le(a) doctorant(e) devra adapter ce point de vue aux cas plus réalistes décrits ci dessus (fantômes d’os et os in vitro). Ces guides seront caractérisés indépendamment par des méthodes physiques complémentaires telles que la micro-tomographie par rayons X, la mesure ultrasonore en transmission transverse). Ceci permettra d’évaluer les procédures d’évaluation des propriétés du guide d’onde à partir des fréquences spatiales des ondes guidées. Finalement, les méthodes de mesure de fréquences spatiales et d’évaluation des propriétés osseuses seront appliquées in vivo lors d’une étude clinique. Les propriétés extraites pourront être l’épaisseur et la porosité corticale. Celles-ci seront définies en accord avec le point de vue médical. Lors d’une étude clinique pilote, il sera possible de comparer les paramètres estimés par ultrasons (épaisseur corticale, porosité) avec leur valeur de référence obtenues chez les mêmes patients par tomographie périphérique à haute résolution (pQCT). L’étude clinique sera menée en collaboration avec le Professeur Christian Roux de l’Hôpital Cochin (Centre d’Evaluation des Maladies Osseuses) avec lequel nous avons déjà mené à terme il y a quelques années le transfert clinique d’un dispositif d’imagerie ultrasonore.

Le laboratoire possède actuellement trois sondes piézoélectriques de différentes tailles (de 14 ou 32 récepteurs) et fréquence d’utilisation (1 ou 2 MHz) ainsi que les électroniques de commandes émission - réception. Deux nouvelles sondes (24 récepteurs) sont actuellement en cours de fabrication. Un de ces sondes, de technologie Cmut (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers), devrait permettre d’améliorer la qualité des mesures. Les différentes sondes sont adaptées à l’examen de sites cliniques différents tels que le radius (avant bras) ou le tibia (jambe) chez l’adulte ou chez l’enfant.

Résultats attendus

Au terme de la thèse, il est attendu les résultats suivants

- un dispositif expérimental adapté aux différents sites cliniques

- une amélioration de la qualité de mesure in vivo des fréquences spatiales des ondes guidées

- une évaluation des propriétés élastiques et géométriques de l’os cortical : épaisseur, coefficients élastiques, porosité

- in fine, une amélioration de l’évaluation de la compétence biomécanique du squelette (résistance à la fracture) et le transfert en clinique de la méthode pour la prédiction du risque de fracture ou le suivi thérapeutique.

Ces différents points seront testés progressivement sur des fantômes académiques, des échantillons d’os in vitro et enfin in vivo. Chaque étape sera validée par la comparaison entre les propriétés élastiques et géométriques obtenues au moyen des ondes guidées et par des méthodes indépendantes.