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Évaluation de la qualité osseuse par les ondes guidées ultrasonores

Abid, Alexandre (2016). Évaluation de la qualité osseuse par les ondes guidées ultrasonores. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La caractérisation des propriétés mécaniques de l’os cortical est un domaine d’intérêt pour la recherche orthopédique. En effet, cette caractérisation peut apporter des informations primordiales pour déterminer le risque de fracture, la présence de microfractures ou encore dépister l’ostéoporose. Les deux principales techniques actuelles de caractérisation de ces propriétés sont le Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) et le Quantitative Computed Tomogaphy (QCT). Ces techniques ne sont pas optimales et présentent certaines limites, ainsi l’efficacité du DXA est questionnée dans le milieu orthopédique tandis que le QCT nécessite des niveaux de radiations problématiques pour en faire un outil de dépistage.

Les ondes guidées ultrasonores sont utilisées depuis de nombreuses années pour détecter les fissures, la géométrie et les propriétés mécaniques de cylindres, tuyaux et autres structures dans des milieux industriels. De plus, leur utilisation est plus abordable que celle du DXA et n’engendrent pas de radiation ce qui les rendent prometteuses pour détecter les propriétés mécaniques des os. Depuis moins de dix ans, de nombreux laboratoires de recherche tentent de transposer ces techniques au monde médical, en propageant les ondes guidées ultrasonores dans les os.

Le travail présenté ici a pour but de démontrer le potentiel des ondes guidées ultrasonores pour déterminer l’évolution des propriétés mécaniques de l’os cortical. Il commence par une introduction générale sur les ondes guidées ultrasonores et une revue de la littérature des différentes techniques relatives à l’utilisation des ondes guidées ultrasonores sur les os. L’article rédigé lors de ma maîtrise est ensuite présenté. L’objectif de cet article est d’exciter et de détecter certains modes des ondes guidés présentant une sensibilité à la détérioration des propriétés mécaniques de l’os cortical. Ce travail est réalisé en modélisant par éléments finis la propagation de ces ondes dans deux modèles osseux cylindriques. Ces deux modèles sont composés d’une couche périphérique d’os cortical et remplis soit d’os trabéculaire soit de moelle osseuse. Ces deux modèles permettent d’obtenir deux géométries, chacune propice à la propagation circonférentielle ou longitudinale des ondes guidées. Les résultats, où trois différents modes ont pu être identifiés, sont comparés avec des données expérimentales obtenues avec des fantômes osseux et théoriques. La sensibilité de chaque mode pour les différents paramètres des propriétés mécaniques est alors étudiée ce qui permet de conclure sur le potentiel de chaque mode quant à la prédiction de risque de fracture ou de présence de microfractures.

Titre traduit

Assessment of bone quality using ultrasonic guided waves

Résumé anglais

Detecting the mechanical properties of the cortical bone is of growing interest in the orthopedic field. Indeed, this detection could bring crucial information to assess risk of fracture, presence of micro cracks or even screen osteoporosis. Dual X-ray Absorptiometry (DXA) and Quantitative Tomography (QCT) are currently the two main tools to detect these properties. These techniques are not perfect and present limitations, thus the DXA efficiency is questioned in the orthopedic field and QCT is using X-ray radiation which is problematic for a screening tool.

Ultrasonic guided waves have been used for many years to detect cracks, screen geometry and mechanical properties of cylinder, pipes and other structures in nondestructive testing industry. Moreover, these waves are inexpensive to use and radiation-free, making them very promising to detect mechanical properties of the bone. For less than a decade, numerous research teams have investigated to apply these techniques to the medical field by propagating ultrasonic guided waves in bones.

The present work aims to demonstrate the potential of ultrasonic guided waves for the assessment of cortical bone mechanical properties evolution. It starts with a general introduction of ultrasonic guided waves and a literature review of the different techniques using ultrasonic guided waves for the evaluation of bone properties. The paper wrote during my masters is then presented. The aim of the paper was to investigate the transduction of ultrasonic guided waves modes sensitive to the deterioration of cortical bone mechanical properties. Finite element models were used to simulate the waves propagation on two bone models. The two models were made of a cortical shell and either filled with bone marrow or trabecular bone. These two models geometry were suited for both circumferential and longitudinal ultrasonic guided waves propagation. Results, where three different modes were detected, were compared to experimental and theoretical results. The sensitivity of each mode was studied and lead to a conclusion on the potential for each mode to screen fracture risk or the presence of micro cracks.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie concentration technologies de la santé". Bibliographie : pages 45-51.
Mots-clés libres: Ultrasonothérapie. Os Propriétés mécaniques. Ultrasons Modèles mathématiques. Os Lésions et blessures Diagnostic. guide, onde, ultrasonore, os cortical, risque de fracture
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bélanger, Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Fernandes, Julio
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 20 juin 2016 17:38
Dernière modification: 20 juin 2016 17:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1679

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