Development of a quantitative ultrasound method for the assessment of cortical bone properties using low frequencies ultrasonic guided waves

Résumé

L’ostéoporose est associée à une réduction de la masse osseuse ainsi qu’à une deterioration osseuse microarchitecturale, entraînant une réduction de la qualité de l’os et une augmentation du risque de fracture. La fracture du radius est l’une des fractures ostéoporotiques les plus fréquentes et peut être considérée comme un site important pour le dépistage précoce de l’ostéoporose et pour la prévention de fractures futures, telles qu’une fracture de la hanche ou de la colonne vertébrale. Dans ce contexte, la technique de transmission axiale utilisant des ondes guidées ultrasonores a été développée pour évaluer la qualité des os dans les os longs tel que le radius. La méthode peut aller au-delà d’une simple estimation de la densité minérale osseuse généralement obtenue avec l’absorptiométrie biphotonique à rayons X (DEXA), cette donnée n’étant pas suffisante pour évaluer le risque de fracture. Les ondes guidées ultrasonores ont le potentiel d’interroger à la fois les propriétés mécaniques et géométriques de l’os cortical. À basses fréquences, la sensibilité aux variations de propriétés de l’os intracortical est améliorée en raison de la profondeur de pénétration accrue obtenue par les différents modes d’ondes guidées. Ceci est particulièrement pertinent afin d’évaluer les stades précoces de l’ostéoporose puisque l’initiation de celle-ci est associée à la résorption endostéale. Par conséquent, les ondes guidées ultrasonores à basse fréquences sont prometteuses en tant que méthode de dépistage rapide, sûre et portable pour l’évaluation de l’ostéoporose précoce en soins primaires. Ainsi, le but de ce projet est de mieux comprendre l’interaction physique entre les ondes guidées ultrasonores à basse fréquences et la structure de l’os cortical. Pour ce faire, un modèle de l’os cortical complet, et efficace en termes de calcul, a été mis en oeuvre à l’aide de la méthode des éléments finis semi-analytiques. (SAFE). La méthode permet la simulation d’ondes guides ultrasonores dans une coupe transversale d’os multicouches, irrégulières, et hétérogènes modélisée au moyen de matériaux anisotropes et viscoélastiques. Le modèle a été appliqué dans le contexte de la transmission axiale pour étudier l’effet des propriétés des os intracorticaux sur la propagation des ultrasons à basse fréquence. Les résultats ont permis d’identifier une configuration de sonde appropriée ainsi qu’une stratégie robuste de traitement du signal permettant d’extraire des caractéristiques significatives des modes ultrasonores. Basé sur ces informations, un prototype de configuration à transmission axiale a été réalisé afin d’évaluer la performance de la méthode sur cinq échantillons de radius ex-vivo. Pour ce faire, un modèle SAFE paramétré similaire à un os a été mis en oeuvre dans une routine d’optimisation automne permettant d’inverser le modèle et déterminer les différentes propriétés de l’os cortical. La configuration par transmission axiale à basse fréquence proposée a permis de récupérer des données fiables d’épaisseur et de densité sur les radius testés ainsi que des données géométriques supplémentaires associées à la forme corticale des échantillons. Les propriétés ainsi prédites sont associées à un volume cortical beaucoup plus grand en comparaison à la méthode d’inversion conventionnelle utilisant des fréquences plus élevées. La méthode inverse proposée a le potential d’augmenter la détectabilité des stades précoces de l’ostéoporose, ainsi que d’améliorer l’évaluation du risque de fracture. Les résultats disponibles peuvent maintenant être utilizes pour définir les paramètres et l’instrumentation d’une étude clinique pilote sur la détection de l’ostéoporose.

Date	25 janv. 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Pierre Bélanger (Directeur(-trice)) & Julio Fernandes (Codirecteur(-trice))