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Équipe 1 : Méthodes de caractérisation et d’imagerie ultrasonore multi-echelle : modélisation et transfert

Tissu osseux ; Modélisation, problèmes directs et inverses – Instrumentation – Caractérisation – Méthodes d’acoustique non linéaire.

Responsables :

Pascal LAUGIER, Directeur de Recherche CNRS & Quentin GRIMAL, MCU.

Contexte

Les ultrasons font partie de l’arsenal de moyens diagnostiques non invasifs du statut osseux. Ils se distinguent des autres modalités, principalement basées sur l’utilisation des rayons X, par la nature élastique des phénomènes de propagation, leur caractère non ionisant et un coût relativement faible de la technologie ultrasonore. L’arsenal de moyens diagnostiques non invasifs du statut osseux s’est considérablement diversifié dans les années 1990 avec le développement de nombreuses techniques basées sur l’utilisation des rayons X, des ultrasons ou de l’IRM. Les techniques d’estimation de la masse minérale osseuse par absorption de rayons X (principalement l’absorptiométrie bi-photonique) sont les plus couramment utilisées à l’heure actuelle pour le diagnostic et le dépistage des personnes à risque de fracture. Cependant, la prédiction du risque de fracture ostéoporotique reste imparfaite. La densitométrie à rayons X ne permet d’évaluer avec précision qu’une seule composante de la résistance de l’os : la densité minérale osseuse. D’autres facteurs de fragilité osseuse (microarchitecture, microendommagement, structure et qualité élastique de l’os cortical,…) ne peuvent pas être évalués par l’absorptiométrie. On fait alors appel à des techniques d’imagerie plus sophistiquées (IRM, scanner 3D ou haute résolution) pour accéder à certains de ces paramètres, mais ces techniques sont beaucoup trop coûteuses pour être viables dans la routine clinique. Les ultrasons représentent une alternative intéressante aux autres modalités dans le domaine de l’os.

Activité de recherche

L’activité de l’équipe couvre les aspects de modélisation, d’instrumentation, de méthode et de transfert. Nous traitons des problèmes d’interaction des ultrasons avec les tissus biologiques, et en particulier avec le tissu osseux, à plusieurs échelles : de l’échelle micrométrique (microscopie acoustique) à l’échelle centimétrique (quantification in vivo des propriétés osseuses). Les modèles de propagation et les modèles de tissus sont couplés aux données expérimentales. Le dialogue entre les résultats des calculs théoriques et les mesures permet de comprendre en détail la physique des interactions os-ultrasons ainsi que de formuler des problèmes de quantification par méthodes inverses.

- Modélisations : celles-ci ont pour objectif (i) d’élucider les mécanismes d’interaction entre ondes élastiques et structure osseuse dans des conditions aussi variées que celles rencontrées avec l’os spongieux ou l’os cortical, (ii) d’identifier les modes de propagation mis en jeu au cours de l’interaction, (iii) proposer des solutions aux problèmes directs, (iv) proposer des procédures d’inversion de données pour remonter aux caractéristiques osseuses pertinentes et (v) modéliser les caractéristiques élastiques de l’os.
- Instrumentation : les développements technologiques sont destinés à accroître le potentiel des techniques ultrasonores, faciliter leur dissémination dans le monde clinique (imagerie rapide, imagerie du col du fémur, approches multi-fréquence et multiparamétrique, …) et trouver des débouchés vers de nouvelles applications.
- Nouvelles méthodologies : de nouvelles méthodes sont explorées en réponse à l’évolution permanente du paradigme de l’évaluation osseuse (ex : techniques non linéaires pour l’étude de l’endommagement).

[en]Bone tissue ; Models ; inverse problems ; instrumentation ; characterization ; methods for non-linear acoustics.

Responsibles :

Pascal LAUGIER, Directeur de Recherche CNRS & Quentin GRIMAL, MCU.

Context

Ultrasound technologies are now integral part of the diagnostic armamentarium for skeletal status assessment. Ultrasound differ from other modalities such as X-rays based technologies, by the elastic nature of the waves, their non-ionizing character and relative inexpensiveness. The variety of non-invasive tools available for the diagnosis of bone diseases considerably increased in the 1990’s with the development of numerous techniques based on X-rays, ultrasound and MRI. X-ray based densitometry techniques (biphotonic X-ray absorptiometry, DXA) to assess bone mineral density currently represent the gold standard for screening and fracture risk prediction. However, osteoporotic fracture risk prediction is imperfect. While X-ray based densitometry techniques provide a relative accurate estimate of bone mineral density, other important factors of bone fragility often referred to as “bone quality” (structure, microdamage, elastic quality, etc.) cannot be evaluated. Evidences exist that bone quality can be assessed using non invasive sophisticated high resolution imaging modalities, including quantitative computed tomography or MRI. However these techniques remain too expensive to be used in everyday clinical practice. Ultrasound technologies thus represent an attractive alternative to other modalities.

Research at LIP

The team is involved in modelling, instrumentation and technology transfer. Ultrasound interactions with biological tissues and in particular hard mineralised tissues (bone) are considered at different scales : from the microscopic scale (investigated with acoustic microscopy) to the organ level (in vivo quantification of bone properties). Models of ultrasound propagation and models of tissue are coupled to experimental data. Interaction mechanisms between ultrasound and bone tissue can be understood with laboratory experiments, theoretical calculations and computational models. Once the propagation models are validated, they can serve as a basis for the quantification of bone properties by model-based inverse methods.

- Modelling : the objective is (i) to elucidate interaction mechanisms between elastic waves and bone structure in various conditions met with cortical and trabecular bone ; (ii) for propagation problem involving guided waves, to identify propagation modes and determine their relationship to bone properties ; (iii) to estimate the ultrasonic system response in different conditions (forward model) ; (iv) to establish inverse procedures to retrieve relevant bone properties from in vivo data ; (v) to model the mechanical behaviour of bone.
- Instrumentation : technological developments aim at enhancing the potential of ultrasound techniques and facilitating their dissemination in clinical practice (fast imaging, femoral neck imaging, multi-frequency and multi-parameter approaches, etc.).
- New methodologies : Because the paradigm of bone quality assessment is a constantly moving target, innovative experimental methods (e.g., non-linear acoustical techniques to probe bone microdamage) are investigated.