Evaluation ultrasonore de l'os cortical en transmission transverse

Evaluation ultrasonore de l’os cortical en transmission transverse

L’os

L’os est un matériau vivant composé principalement de trois constituants : des cristaux minéraux d’hydroxyapatite (phosphate de calcium), du collagène (protéine fibreuse) et de l’eau. A l’échelle macroscopique ( ≈1cm ), on distingue deux type d’os : l’os cortical (ou os compact) et l’os trabéculaire (ou os spongieux) (Figure 1). Figure 1 : Os cortical et os trabéculaire. L’os cortical représente approximativement 80% de la masse osseuse dans le squelette humain. Il est peu poreux (typiquement entre 5 à 15%) et constitue la couche externe de l’os. Il est particulièrement présent dans la partie centrale des os longs (diaphyse). L’os trabéculaire est très poreux (typiquement entre 75 à 95%) et se trouve au centre de l’os et en particulier aux extrémités des os longs (épiphyse). On appelle périoste et endoste les interfaces externe (en contact avec les tissus mous) et interne (en contact avec la moelle) de l’os respectivement. Le canal médullaire constitue la cavité des os longs qui contient la moelle. L’épaisseur corticale est la distance entre le périoste et l’endoste. A l’échelle mésoscopique ( 1 ≈ mm), l’os cortical peut être décrit comme un matériau composite constitué, d’une part, d’une matrice minéralisée dense (cristaux d’hydroxyapatite et collagène) et d’autre part, d’un réseau de cavités qui rend compte de la porosité (Figure 2). Plusieurs types de cavités constituent la porosité corticale : Chapitre 1 : Introduction générale 12 – les cavités de résorption, d’un diamètre φ ≈ 50 à 200µm, qui résultent du processus de remodelage osseux – les canaux de Havers ( 50 φ ≈ µm) dans lesquels circule le sang et qui sont reliés entre eux par des canaux de Volkmann – les lacunes ostéocytaires (φ ≈10 à 20µm) dans lesquelles sont logées des ostéocytes. Figure 2 : Image de l’os cortical d’une section transverse de radius par microscopie acoustique à 200MHz. (source :Ingrid Leguerney, 2004) A l’échelle submicrométrique ( ≈ 0.1µm) on observe les cristaux minéraux d’hydroxyapatite fixés sur des fibres de collagène. Un dysfonctionnement dans le processus de remodelage osseux peut entraîner une perte de matière osseuse. L’ostéoporose est une maladie systémique du squelette caractérisée par une faible masse osseuse et une détérioration de la microarchitecture du tissu osseux, entraînant une augmentation de la fragilité osseuse et du risque de fracture [1]. Le tissu osseux se dégrade avec l’âge davantage chez les femmes que chez les hommes. Ainsi, parmi 100 femmes françaises arrivant à la ménopause, 40 présenteront au moins une fracture ostéoporotique avant la fin de leur vie alors que parmi 100 hommes âgés de plus de 50 ans, 18 environ présenteront au moins une fracture par fragilité avant la fin de leur vie [2]. La détérioration du tissu osseux avec l’âge tend à fragiliser certains sites du squelette plus que d’autres. Les principaux sites de fractures liées à l’ostéoporose sont la hanche, le radius et la colonne vertébrale [3]. En France, 82 % des dépenses en hôpitaux liées à l’ostéoporose sont Chapitre 1 : Introduction générale 13 associées aux fractures de la hanche [4]. Ces fractures sont associées à un fort taux de mortalité (on observe dans l’année suivant la fracture un taux de 10 à 20% de décès de plus qu’attendu pour leur âge chez les femmes s’étant fracturé la hanche) ainsi qu’à une grande perte d’autonomie (jusqu’à un tiers des individus qui se sont fracturés la hanche deviennent totalement dépendants) [5-7].

Déterminants de la résistance osseuse

La résistance de l’os à la fracture est déterminée par la masse osseuse, mesurée par des techniques utilisant les rayons-X et par des propriétés matérielles (élasticité, minéralisation, orientation des cristaux minéraux), microstructurelles (porosité) et géométriques (taille, épaisseur corticale, …). Certaines de ces propriétés ne sont pas indépendantes les unes des autres. On appellera « indices de la résistance osseuse » des paramètres géométriques de l’os qui sont liés à la résistance osseuse telles que l’épaisseur et l’aire corticale. De telles indices peuvent être estimés par des méthodes ultrasonores en particulier.

L’Extrémité Supérieure du Fémur

L’anatomie de l’Extrémité Supérieure du Fémur (ESF ou généralement désigné par « hanche » dans le contexte des fractures) est décrite par la Figure 3. Chapitre 1 : Introduction générale 14 Figure 3 : Anatomie de l’extrémité supérieure du fémur. On distingue deux principaux sites de fractures de l’ESF : les fractures cervicales (au col) et les fractures trochantériennes. Une méta-analyse regroupant les résultats de 16 études, recensant au total plus de 36000 fractures de la hanche estime que le nombre de fractures cervicales est 1.8 fois plus élevé que le nombre de fractures trochantériennes chez les femmes de 70 à 79 ans .

Système de référence en anatomie

Nous présentons dans ce paragraphe un vocabulaire propre à l’anatomie, que nous utiliserons par la suite, afin de se repérer relativement au corps humain. Les plans sagittal, transversal et coronal sont définis sur la Figure 4. Chapitre 1 : Introduction générale 15 Figure 4 : Trois principaux plans de l’anatomie (source : [9]). Le plan coronal sépare la partie antérieure et la partie postérieure. Dans un plan de coupe transversal, la partie supérieure est située vers la tête et la partie inférieure vers les pieds. Les régions médiale et latérale sont relatives à la direction perpendiculaire au plan sagittal. La région médiale est orientée vers l’intérieur du corps et la région latérale vers l’extérieur. Une région est dite « distale » lorsqu’elle est proche de l’extrémité du membre considéré et « proximale » lorsqu’elle est proche de la racine

Méthodes ultrasonores

Un certain nombre de dispositifs ultrasonores ont déjà été développés afin d’évaluer la résistance osseuse et la prédiction du risque de fracture. Les techniques ultrasonores quantitatives ou « Quantitative UltraSound » (QUS) mesurent des caractéristiques ultrasonores telles que l’atténuation en fonction de la fréquence ou « Broadband Ultrasonic Attenuation » (BUA) et la vitesse ou « Speed Of Sound » (SOS) qui sont corrélées à la Densité Minérale Osseuse (DMO) et au risque de fracture. Les dispositifs ultrasonores utilisent deux types de méthodes : la transmission axiale [10-12] et la transmission transverse [13-16]. Dans une configuration en transmission axiale un émetteur et un récepteur sont placés dans la direction de l’axe long d’un os pour mesurer la vitesse de propagation de l’onde dans la couche d’os cortical. En transmission transverse, le site osseux est intercalé entre un émetteur et un récepteur situés l’un en face de l’autre et la vitesse de propagation du signal à travers le site osseux est mesurée. Elles peuvent être appliquées à des sites constitués principalement d’os cortical (radius, tibia, phalange digitale) ou bien d’os trabéculaire (calcanéum) . Ces sites de mesure périphériques sont privilégiés à cause d’une facilité d’accès pour les sondes ultrasonores.

Table des matières

1 L’OS

2 DETERMINANTS DE LA RESISTANCE OSSEUSE
3 L’EXTREMITE SUPERIEURE DU FEMUR
4 SYSTEME DE REFERENCE EN ANATOMIE
5 METHODES ULTRASONORES
6 LES TECHNIQUES QUS A L’ESF
7 OBJECTIFS DE LA THESE
REFERENCES
Chapitre 2 : Relations entre le premier signal et les propriétés de la coque corticale du col fémoral: étude numérique
1 POSITION DU PROBLEME
1.1 CONTEXTE
1.2 OBJECTIFS DE L’ETUDE
2 INFLUENCE DE LA GEOMETRIE DE L’OS CORTICAL SUR LE FAS
2.1 MATERIELS ET METHODES
2.1.1 Élaboration de modèles de col du fémur pour les simulations numériques.. 28
2.1.2 Paramètres géométriques du col
2.1.3 Simulations numériques
2.1.4 Analyse des données
2.2 RESULTATS
2.2.1 Origine du
FAS
2.2.2 Relation entre le TOFFAS et les paramètres géométriques
2.2.3 Influence de la position le long de l’axe du col 46
2.3 DISCUSSION
2.3.1 Origine du FAS
2.3.2 Relation entre le FAS et les indices de résistance osseuse
2.3.3 Influence de la position le long de l’axe du col
2.3.4 Intérêt de la région au milieu du col
2.3.5 Discussion des hypothèses
3 INFLUENCE DES PROPRIETES MATERIELLES ET MICROSTRUCTURELLES DU COL DU
FEMUR SUR LE FAS
3.1 MATERIEL ET METHODE
3.1.1 Préparation des échantillons
3.1.2 Mesures SAM
3.1.3 Les modèles numériques
3.1.3.1 Modèle de référence
3.1.3.2 Modèle sans l’os trabéculaire
3.1.3.3 Modèle avec une élasticité homogène de la matrice minéralisée et une microstructure
3.1.3.4 Modèles de milieu effectif
3.1.3.5 Autres modèles homogènes
3.1.4 Les simulations numériques
3.1.5 Analyse des données
3.2 RESULTATS
3.3 DISCUSSION
3.3.1 Discussion des résultats
3.3.2 Discussion des hypothèses
4 CONCLUSION
RÉFÉRENCES
Chapitre 3 : Relations entre le premier signal et la résistance
mécanique de l’extrémité supérieure du fémur : étude
expérimentale
1 INTRODUCTION
1.1 CONTEXTE
1.2 OBJECTIF DE L’ETUDE
2 METHODE
2.1 PREPARATION DES FEMURS
2.2 MONTAGE EXPERIMENTAL ULTRASONORE
2.2.1 Choix des capteurs ultrasonores
2.2.2 Description du montage expérimental
2.2.3 Orientation des capteurs
2.2.4 Positionnement de l’axe du col
2.3 MESURES ULTRASONORES
2.3.1 Types de mesures au fémur
2.3.1.1 Balayage le long de l’axe du col
2.3.1.2 Rotation autour de l’axe I-S et de l’axe du col
2.3.2 Caractéristiques des mesures
2.3.3 Traitement des signaux
2.4 MESURES DXA
2.5 ESSAIS MECANIQUES
2.5.1 Configuration
2.5.2 Mesures
2.6 ANALYSES STATISTIQUES
3 RESULTATS
4 DISCUSSION
4.1 CARACTERISATION DU FAS
4.2 SENSIBILITE AU POSITIONNEMENT
4.3 RELATION ENTRE TOFFAS ET LES PARAMETRES MECANIQUES
4.4 CHOIX DU MONTAGE
4.5 CHOIX DU TRAITEMENT DE SIGNAL
4.6 PERSPECTIVES
4.6.1 Application au cas réel
4.6.2 Eléments à prendre en compte pour une mesure ultrasonore de l’ESF
CONCLUSION
REFERENCES.
Chapitre 4 : Vers la mesure de la vitesse de phase à l’extrémité
supérieure du fémur : mise en œuvre de la méthode DORT sur des
tubes à section circulaire
1 INTRODUCTION
1.1 ONDES GUIDEES 113
1.2 MISE EN EVIDENCE DE LA SENSIBILITE DU TOFFAS AUX ONDES GUIDEES EN TRANSMISSION TRANSVERSE
1.3 LA METHODE DORT
1.4 OBJECTIF DE L’ETUDE
2 PRESENTATION DE LA METHODE DORT
3 APPLICATION AUX TUBES AYANT DES PROPRIETES PROCHES DE L’OS
3.1 ETUDE NUMERIQUE
3.1.1 Présentation
3.1.2 Tube de cuivre
3.1.3 Tube d’os de référence
3.2 ETUDE EXPERIMENTALE
3.2.1 Description de l’expérience
3.2.2 Résultat
4 DISCUSSION
CONCLUSION
Chapitre 5 : Une étude expérimentale des déterminants osseux de
la vitesse ultrasonore dans l’os cortical
1 INTRODUCTION
1.2 CONTEXTE DE L’ETUDE
1.2 OBJECTIF DE L’ETUDE
2 MATERIEL ET METHODE
2.1 PREPARATION DES ECHANTILLONS
2.2 MESURES DE LA VITESSE ULTRASONORE
2.3 MESURE DE LA DENSITE MINERALE OSSEUSE.
2.4 MESURES EN DIFFRACTION PAR RAYONS-X
2.4.1 Principe
2.4.2 Mesures
2.5 MESURES EN MICROSCOPIE ACOUSTIQUE A BALAYAGE
2.6 ANALYSES DES STATISTIQUES DES DONNEES
3 RESULTATS
4 DISCUSSION
CONCLUSION
REFERENCES
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
1 POSITIONNEMENT HORIZONTAL DE L’AXE DU COL
2 POSITIONNEMENT VERTICAL DE L’AXE I-S
3 ALIGNEMENT DE L’AXE A-P AVEC L’AXE DES CAPTEURS
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