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Développement d’un système de tomographie ultrasonore pour la mesure des propriétés osseuses du radius

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Falardeau, Timothé (2018). Développement d’un système de tomographie ultrasonore pour la mesure des propriétés osseuses du radius. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées afin d’évaluer la qualité osseuse pour le diagnostic de l’ostéoporose. En application clinique, la technique de mesure la plus couramment utilisée est l’absorptiométrie biphotonique par rayons X. Toutefois, Li et al. (2013) ont montré que le taux de détection de l’ostéoporose associé à cette technique n’était que de 17.1%. Suite à ce problème, l’objectif principal de ce projet de recherche était d’évaluer la possibilité d’utiliser une technique d’imagerie non-ionisante alternative pour diagnostiquer l’ostéoporose rapidement et avec un taux de détection élevé. Une des techniques d’imagerie n’émettant aucune radiation ionisante est l’imagerie par ultrasons. Cependant, son utilisation médicale est actuellement limitée à la caractérisation de matériaux ayant une vitesse du son très près de celle du milieu environnant. Dans ce mémoire, une nouvelle technique d’inspection par ultrasons adaptée de l’algorithme «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» est présentée. Les travaux effectués dans ce projet ont porté sur l’adaptation de l’algorithme «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» pour l’évaluation quantitative de la vitesse du son dans l’os du radius. L’avantage de cet algorithme par rapport aux techniques de tomographie traditionnelles est qu’il permet d’imager des objets avec un contraste plus élevé entre la vitesse du son dans l’objet et la vitesse du son dans le milieu environnant. L’hypothèse de depart était que le «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» pourrait être adapté afin d’imager des coupes transversales d’os humains et de mesurer la vitesse du son, dans le but d’évaluer la qualité osseuse. Un modèle éléments finis 2D a été développé sous ABAQUS pour simuler la propagation d’ondes dans un fantôme d’os immergé dans de l’eau. Par la suite, un banc d’essai a été conçu, fabriqué et mis à l’essai afin de valider les résultats obtenus par éléments finis. Finalement, des os cadavériques de radius humains ont été évalués à l’aide du banc d’essai. La plus grande différence entre l’algorithme «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» standard et celui développé dans ce projet se situe dans le traitement de données post-acquisition. En effet, un algorithme combinant un seuil variable, le critère d’information d’Akaike et un analyseur de courbe de la transformée d’Hilbert a été développé pour estimer le temps de vol entre deux transducteurs plus précisément. Les images générées à l’aide des données expérimentales sur des fantômes d’os et par éléments finis ont permis de différencier un fantôme d’os sain d’un fantôme d’os ostéoporotique. Toutefois, des artéfacts liés à l’omission du gradient de densité entre l’os et l’arrière-plan dans la fonction de l’objet ainsi qu’à l’estimation erronée du temps de vol à certains endroits ont été observés. Pour augmenter la qualité des images, il serait intéressant d’incorporer un algorithme de cartographie de la densité ou de développer un algorithme d’apprentissage machine.

Titre traduit

Design of an ultrasound tomography system for the evaluation of the bone properties of the radius

Résumé traduit

Bone quality assessment for osteoporosis diagnosis can be performed using a wide array of methods. In clinical applications, the most commonly used technique is dual energy X-ray absorptiometry. However, Li et al. (2013) have shown that this method is inaccurate to diagnose osteoporosis with detection rates averaging 17.1%. The main objective of this project was to investigate the possibility of using an alternate non-irradiating imaging technique to assess bone quality in a view to use the method for the detection of osteoporosis. Ultrasound imaging is a rapidly developing non-irradiating imaging technique. Unfortunately, its use is presently limited to the characterization of materials with low speed of sound contrast relative to the background medium. In this thesis, a new ultrasound imaging method based on the «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» proposed by Huthwaite & Simonetti (2011a) is presented. This project focused on adapting the «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» for quantitative evaluation of the bone speed of sound. The main objective of this project was to evaluate the possibility of using an adapted «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» as a way to quantify speed of sound in bones and therefore assess bone quality. The advantage of this algorithm over traditional tomography is its extended range of applicability. Objects with high velocity contrast relative to the background medium can be imaged using the «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography». The hypothesis made in this project was that the «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» could be adapted to characterize human bone mechanical properties and image bones cross-sections, so as to assess bone quality in a view to develop an osteoporosis diagnosis tool. A 2D finite element model was first developed in ABAQUS to model wave propagation inside a bone phantom immersed in water. A test bench was later used to validate finite element results on bone mimicking phantoms and human cadaveric radius bones. The main difference between the standard «hybrid algorithm for robust breast ultrasound tomography» algorithm and the one developed in this project is the data post-processing algorithm. A new algorithm combining a threshold, the Akaike information criterion and a wave mode separator of the Hilbert transformed time trace was developed to evaluate the time of flight between two transducers with more precision. The images generated using the bone phantom experimental data and the finite element data enabled segregation between osteoporotic and healthy bone phantoms. However, artefacts linked to the density gradient at the water/bone interface in the object function and errors in arrival time estimation were observed. These artefacts reduced imaging quality which decreased image segmentation performances. Incorporating a density map or machine learning algorithm could increase image precision by reducing errors linked with rapid density change and time of flight estimation.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 65-69).
Mots-clés libres: ostéoporose, imagerie médicale, tomographie, ultrason
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bélanger, Pierre
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 janv. 2021 13:59
Dernière modification: 20 janv. 2021 13:59
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2006

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