Modélisation et simulation de la propagation d'ondes guidées dans des milieux élastiques en présence d'incertitudes : Application à la caractérisation ultrasonore

Modeling and simulation of guided waves propagation in elastic mediums in the presence of uncertainties : Application to ultrasonic characterization

• Auteur / Autrice : Antoisse Abdoulatuf
• Direction : Salah Naili, Vu Hieu Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 11/07/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Échelle
• Jury : Président / Présidente : Christophe Desceliers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salah Naili, Vu Hieu Nguyen, Christophe Desceliers, Anas Batou, Marc Deschamps, Cécile Baron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anas Batou, Marc Deschamps

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tissu osseux

Ondes -- Propagation

Ultrasons en médecine

Mots clés libres

Ondes ultrasonores

Méthode semi-Analytique des éléments finis

Os cortical

Coefficients de réflexion/transmission

Guide d’onde

Propriétés aléatoires

Ultrasonic waves

Semi-Analytical finite element method

Cortical bone

Reflection/transmission coefficients

Waveguide

Random properties

Résumé

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation

In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation