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

Pereira, Daniel (2019). Development of a quantitative ultrasound method for the assessment of cortical bone properties using low frequencies ultrasonic guided waves. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Osteoporosis is associated with a reduction of the bone mass and microarchitectural bone deterioration, leading to a reduction in bone quality and to an increase in fracture risk. The radius fracture is one of the most frequent osteoporotic fractures and can be considered an important site for the early detection of osteoporosis and to prevent future fractures, such as hip and spine fractures. In this context, the axial transmission technique using ultrasonic guided waves was developed to assess bone quality in long bones such as the radius. The method can go beyond a simple estimation of the bone mineral density typically achieved with dual-energy x-ray absorptiometry (DEXA), which is not sufficient to assess fracture risk. Ultrasonic guided waves have the potential to interrogate both the mechanical and geometrical properties of cortical bone. When operating at low frequencies, the sensitivity to variations in intracortical bone properties is improved due to the great penetration depth achieved by the ultrasonic guided wave modes. This is particularly relevant to assess early stages of osteoporosis since early osteoporosis is known to be associated with endosteal resorption. Therefore, low-frequency ultrasonic guided waves hold promises as a rapid, safe and portable screening method for assessment of early osteoporosis in a primary care level. Thus, the purpose of this project is to bring a better understanding of the physical interaction between low-frequency ultrasonic guided waves and the cortical bone structure. In order to do so, a comprehensive and computationally efficient cortical bone model was implemented using the semi-analytical finite element (SAFE) method. The method allows the simulation of ultrasonic guided waves in an irregular, multi-layer and heterogeneous bone cross-section modeled with anisotropic and viscoelastic material properties. The model was applied in the context of axial transmission to investigate the effect of intracortical bone properties on the propagation of low-frequency ultrasonic guided wave modes. The results allowed the identification of a suitable probe configuration as well as a robust signal processing strategy to extract significant mode features from ultrasonic responses. With this information, a prototypical axial transmission configuration was built so that the performance of the method could be evaluated on five ex-vivo radius samples. To do so, a parametrized bone-like SAFE model was implemented into an autonomous model-based optimization routine to perform the inverse determination of different cortical bone properties. The proposed low-frequency axial transmission configuration was able to retrieve reliable thickness and density values for radius specimens as well as provided additional geometrical information associated with the cortical shape of the samples. The predicted properties found were associated to a much larger cortical volume when compared to the conventional inversion techniques using higher frequency. The proposed inverse method has the potential to increase the detectability of early stages of osteoporosis as well as improve the assessment of risk of fracture. The results available can be now used to define the parameters and instrumentation of a pilot clinical study on the detection of osteoporosis.

Titre traduit

Élaboration d’une méthode quantitative d’évalutation des propriétés de l’os cortical au moyen d’ondes guidées ultrasonores basse fréquences

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 119-130).
Mots-clés libres:	ostéoporose, technique de transmission axiale, ondes guidées ultrasonores, basse fréquence, os cortical, os endostéale, méthode des éléments finis semi-analytiques, problème d’inversion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Fernandes, Julio
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 avr. 2019 20:53
Dernière modification:	18 avr. 2019 20:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2286

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