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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 (chargé de recherche CNRS)

Contact : Jean-Gabriel Minonzio (Jean-Gabriel.Minonzio upmc.fr)

Contexte

Le cadre général du travail de l’équipe du Laboratoire d’Imagerie Paramétrique (LIP, UMR 7623) est l’évaluation de la résistance osseuse par ultrasons afin d’améliorer à terme la prédiction clinique du risque de fracture ostéoporotique. La technique de référence actuelle par densitométrie à rayons X permet la mesure de la densité minérale osseuse. Plusieurs publications récentes pointent les limites de cet examen et proposent de mesurer d’autres paramètres complémentaires comme l’épaisseur et la porosité de l’os cortical afin de renforcer l’évaluation de la qualité osseuse (R. Zebaze et al. The Lancet 375, 1729 – 1736, 2010). Les ultrasons sont utilisés pour étudier l’os depuis les années 1950. Le signal ultrasonore transmis dans les os longs (radius, tibia) reflète les interactions entre l’onde élastique et les différents milieux de propagation : os, tissus mous, moelle. Cette réponse dépend notamment des propriétés géométriques et élastiques de l’os cortical guidant l’onde ultrasonore. L’exploitation de ces signaux présentent donc un fort potentiel pour apporter de nouveaux paramètres en vue d’améliorer l’évaluation de la résistance osseuse. Cependant, les principales difficultés restent la qualité de la mesure, l’interprétation du signal et enfin l’extraction de paramètres robustes et pertinents.

Une méthode de traitement du signal originale a récemment été développée au laboratoire. Cette méthode, adaptée au à la sonde multi-éléments développée au LIP (Bossy et al. IEEE Ultrasonics Ferroelec Freq Contr 51, 71-79, 2004) et brevetée pour les mesures cliniques, 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 nombres d’ondes des modes guidés se propageant dans l’objet inspecté, le long du réseau de réception (Minonzio et al. J Acoust Soc Am 127, 2913-19, 2010). La méthode a tout d’abord été validée sur des plaques de fantôme d’os cortical (matériau absorbant et isotrope transverse) d’épaisseur constante. Cette méthode a donné lieu à un dépôt de brevet. 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). Une start-up Azalée, crée en 2012, a pour objectif la valorisation de cette méthode.

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. La première partie de l’étude portera sur la mesure d’échantillons osseux in vitro. Il s’agira de relier les nombres d’ondes expérimentaux 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 paramètres élastiques. Celles-ci sont obtenues en minimisant l’écart entre nombres d’onde expérimentaux et théoriques dans toute la bande passante, pour les différents modes. Les branches des modes à fréquence de coupure ont été plus particulièrement étudiés. Ce point de vue devra être adapté aux cas plus réalistes décrits (fantômes d’os et os in vitro). Ces guides seront caractérisés indépendamment par des méthodes physiques complémentaires telles que la tomographie haute résolution par rayons X (pour les propriétés géométriques), ou la méthode de résonance ultrasonore spectroscopique (pour les caractéristiques élastiques). Ceci permettra d’évaluer les procédures d’évaluation des propriétés du guide d’onde à partir des nombres d’onde des modes guidés. Des premières mesures in vitro ont été effectuées sur cinq radius lors de la thèse de Josquin Foiret. Ces premiers résultats prometteurs seront complétés par une série plus grande d’échantillons.

Finalement, les méthodes de mesure des modes guidés et d’évaluation des propriétés osseuses seront appliquées in vivo lors d’une étude clinique pilote dans le cadre d’un projet de collaboration industrielle (Azalée). Les mesures seront effectuées au niveau de l’avant-bras (radius) ou de la jambe (tibia). Les propriétés extraites pourront être l’épaisseur et la porosité corticale. Celles-ci seront définies en accord avec le point de vue médical. Il sera possible de comparer les paramètres estimés par ultrasons (épaisseur corticale, porosité) avec leur valeur de référence obtenue chez les mêmes patients par tomographie périphérique à haute résolution. L’étude clinique sera menée en collaboration avec le Professeur Christian Roux de l’Hôpital Cochin (Centre d’Evaluation des Maladies Osseuses) avec lequel le LIP a déjà mené à terme il y a quelques années le transfert clinique d’un dispositif d’imagerie ultrasonore. Des mesures cliniques pourront également être menées en Allemagne, à Berlin et à Kiel, dans le cas du laboratoire européen associé ULAB.

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 nombres d’ondes des modes guidés
- 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.