Sujet de these 2015- fiche francais.doc

ED SMAER

Sujet de thses 2015 Laboratoire : Laboratoire dimagerie biomdicale CNRS UMR 7371 INSERM UMR-S 1146 Etablissement de rattachement : UPMC Directeur de thse et section CNU ou CNRS : Pascal LAUGIER (CNRS section 28) Codirection et section CNU ou CNRS : Guillaume RENAUD (CNRS section 28) et Sylvain HAUPERT (ingnieur de recherche CNRS) Titre de la thse : Evaluation des constantes lastiques non linaires du tissu osseux cortical par acousto-lasticit et tude des relations avec la qualit structurelle du tissu osseux cortical Collaborations dans le cadre de la thse : - Franoise Peyrin (Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de lImage pour la Sant UMR5220, Lyon, et ESRF, European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble) - Hlne Follet (INSERM U1033, Lyon) - Marco Scalerandi (Politecnico di Torino, Turin, Italie) - David Mitton (Laboratoire de Biomcanique et Mcanique des Chocs, IFSTTAR UMR_T9406, Lyon) Rattachement un programme : Le sujet peut tre publi sur le site web de lED SMAER : OUI NON rayer la mention inutile.

Rsum du sujet :

Le contexte gnral de ce projet est la caractrisation de la sant structurelle du tissu osseux cortical par mthodes ultrasonores. La russite de cette approche devrait contribuer lamlioration de la prdiction du risque de fracture osseuse, en particulier des fractures ostoporotiques. Notre laboratoire a effectu des progrs importants sur lvaluation in vitro et in vivo des constantes lastiques (linaires) du tissu osseux cortical grce au dveloppement dappareillages ddis (sonde ultrasonore multi-lments, spectroscopique de rsonance ultrasonore) et de mthodes de traitement du signal originales. Le premier objectif de ce travail de thse de doctorat sera la caractrisation du comportement lastique non linaire du tissu osseux cortical. Il sagit donc de mesurer les constantes lastiques du troisime ordre (voire du quatrime ordre). Ces constantes lastiques seront mesures par mthodes acousto-lastiques. Ces mesures prsenteront un challenge lev pour deux raisons : 1) llasticit du tissu osseux cortical est anisotrope (isotrope transverse) et 2) les chantillons prlevs sont de petite taille, typiquement un paralllpipde de 4x2x50 mm. Il conviendra pour ce faire de dvelopper et valider un banc de mesure adapt qui permettra dappliquer une dformation uniaxiale de lordre de 10-4. Dans un deuxime temps, les relations entre ces constantes lastiques (non linaires) et les proprits microstructurelles ainsi que lhydradation du tissu osseux cortical seront values in vitro. Les proprits microstructurelles incluent les micro-fissures, la porosit et les proprits de cohsion des fibres de collagne comme la proportion de liaisons croises non-enzymatiques. Le deuxime objectif sera donc lidentification des sources de non-linarit lastique du tissu osseux cortical.

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Sujet dvelopp ( prsenter en 2 ou 3 pages maximum, en prcisant notamment le contexte, les objectifs, les rsultats attendus)

Contexte Le stage se droulera au sein de l'quipe Determinant of Bone Mechanical Status (DMBS) du Laboratoire dImagerie Biomdicale qui s'intresse principalement la caractrisation du tissu osseux l'aide de mthodes ultrasonores. Nous tirons parti de l'tendue de la gamme de longueurs d'ondes ultrasonores pour sonder les proprits mcanique de l'os, ou d'autres tissus minraliss, depuis l'chelle microscopique (in vitro) jusqu' l'chelle millimtrique (in vivo). Un des axes de recherche de lquipe DMBS concerne lvaluation des proprits ultrasonores non linaires de los cortical car celles-ci peuvent savrer de bons marqueurs de la sant structurelle du tissu osseux (en particulier le micro-endommagement, voir Figure 1). Sur un plan fondamental, lensemble des tudes contribuent une meilleure connaissance des proprits mcaniques de los. La principale application vise est le diagnostic du risque de fracture ostoporotique.

Sujet dvelopp ( prsenter en 2 ou 3 pages maximum, en prcisant notamment le contexte,

les objectifs, les rsultats attendus)

Contexte

Le cadre gnral du travail de lquipe du Laboratoire dImagerie Biomdicale (LIB, CNRS

UMR 7371, INSERM UMR S 1146) est lvaluation de la rsistance osseuse par ultrasons

afin damliorer terme la prdiction clinique du risque de fracture osseuse. La technique de

rfrence actuelle par osto-densitomtrie rayons X permet la mesure de la densit minrale

osseuse. Plusieurs publications rcentes montrent les limites de cet examen et proposent de

mesurer dautres paramtres complmentaires comme le micro-endommagement (fissures de

la matrice osseuse sur la longueur denviron 100 micromtres, Figure 1). Au cours du

vieillissement, le niveau de micro-endommagement augmente et il montre une corrlation

avec la rduction de tnacit du tissu osseux (Burr 2011, Zioupos 2001). Il est nanmoins mal

tabli si laugmentation du niveau de micro-endommagement est une cause ou une

consquence de la dgradation des proprits mcaniques osseuses. La raison principale est

quil nexiste pas de mthode non invasive de quantification du micro-endommagement

osseux.

Figure 1. Micro-fissures dans los cortical observe par micro-tomographie rayons X par rayonnement

synchrotron (Haupert et al., IEEE proceedings IUS 2011)

La micro-fissuration dun matriau solide augmente les effets acoustiques non linaires. La

dmonstration a t faite dans le tissu osseux par deux mthodes : la spectroscopie de

rsonance ultrasonore non linaire (Haupert et al. PLoS ONE 2014, Figure 2) et lacousto-

lasticit dynamique (Renaud et al. 2008, Moreschi et al. 2010). La mesure des effets

acoustiques non linaires est par consquent un bon candidat pour permettre lvaluation non

invasive du niveau de micro-endommagement osseux. Les micro-fissures constituent une

source de non-linarit acoustique, mais la nature des liaisons entre les fibres de collagne

minralis pourrait aussi influencer les effets non linaires acoustiques.

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Figure 1. Image du tissu osseux cortical obtenue par micro-tomographie rayons X par rayonnement

synchrotron montrant la microstructure et la prsence de micro-fissures (Haupert et al., IEEE proceedings IUS 2011).

Nous avons ainsi rcemment adapt la spectroscopie ultrasonore non-linaire (NRUS) la mesure in vitro sur des chantillons dos cortical. Cette technique nous a permis dvaluer llasticit non linaire non classique (aussi appele hystrtique) de los cortical (Figure 2).

Figure 2. Une augmentation relative de la densit de micro-fissures dans los cortical (induite par fatiguemcanique in vitro) augmente le paramtre de non-linarit acoustique f mesur par spectroscopie de rsonance

ultrasonore non linaire (Haupert et al. PLoS ONE 2014).

Objectifs

Lobjectif principal de la thse est lidentification des sources de non-linarit acoustique dans

le tissu osseux cortical. Los cortical est un matriau exigeant car lattnuation ultrasonore estleve et les non-linarits acoustiques sont relativement faibles. Par consquent un dispositif

exprimental trs sensible permettant les mesures de spectroscopie ultrasonore non linaire et

dacousto-lasticit dynamique sur un mme chantillon devra tre dvelopp. Il sera valid et

la reproductibilit de la mesure sera optimie avec des matriaux non biologiques dont la non-

linarit acoustique est connue. Ensuite la non-linarit acoustique sera mesure sur une

grande srie dchantillons osseux humains (typiquement gomtrie paralllpipdique,

Figure 2). Il sagira de relier la nature et limportance des effets non linaires acoustiques

mesures 1) aux proprits du micro-endommagement caractris par micro-tomographie

rayons X rayonnement synchrotron et microscopie fluorescence et 2) aux proprits des

liaisons entre fibres de collagne, en particulier la proportion de liaisons croises non-

enzymatiques. Enfin un travail de modlisation physique de linfluence des caractristiquesdu micro-endommagement (densit, taille, orientation) sur la non-linarit acoustique du tissu

osseux cortical sera men.

Rsultats attendus

Au terme de la thse, il est attendu les rsultats suivants :

- un dispositif de mesure in vitro trs sensible et reproductible permettant les mesures de

spectroscopie ultrasonore non linaire et dacousto-lasticit dynamique sur un mmechantillon, valid dans des matriaux de rfrence

- une valuation des relations quantitatives entre les proprits non linaires acoustiques delos cortical et les caractristiques du micro-endommagement (densit de micro-fissures,

distribution de longueur, orientation) et des liaisons entre les fibres de collagne (proportion

de liaisons croises non-enzymatiques)- un travail de modlisation physique de linfluence des caractristiques du micro-endommagement (densit, taille, orientation) sur la non-linarit acoustique du tissu osseux

cortical

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Figure 2. Une augmentation relative de la densit de micro-fissures dans los cortical (induite par

fatigue mcanique in vitro) augmente le paramtre de non-linarit acoustique f mesur par spectroscopie de rsonance ultrasonore non linaire (Haupert et al. PLoS ONE 2014).

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Objectifs Afin de complter la caractrisation des proprits non linaires lastiques du tissu osseux cortical, il est ncessaire dvaluer aussi les constantes non linaires lastiques, dites classiques, cest-a-dire les constantes lastiques du troisime ordre (voire du quatrime ordre). Ce sera