Advanced signal and imaging methods in ultrasound cortical bone assessment

par Chao Han

Thèse de doctorat en Acoustique physique

Sous la direction de Didier Cassereau et de Jean-Gabriel Minonzio.

Le président du jury était Marc Bonnet.

Le jury était composé de Nathalie Favretto-Cristini, Régis Marchiano.

Les rapporteurs étaient Marc Deschamps, Vincent Gibiat.

  • Titre traduit

    Méthodes avancées de signaux et d'imagerie pour l'évaluation de l'os cortical par ultrasons


  • Résumé

    La technologie à ultrasons constitue un moyen abordable de mettre en œuvre des solutions non invasives pour évaluer de manière diagnostique les caractéristiques mécaniques de l'os. Dans cette thèse nous introduisons la poursuite orthogonale (OMP) pour obtenir une reconstruction robuste de la forme d'onde de chaque écho après rebond sur les faces externe et interne de l'os cortical. Le temps de vol et les fréquences centrales des échos sont utilisés pour calculer l'atténuation normalisée à large bande (nBUA). Des mesure in vivo ont été effectuées avec succès en mode écho et des données de référence ont été obtenues à partir de mesures HR-pQCT (épaisseur corticale, vBMD). Il est ainsi apparu que Ct.Th et nBUA étaient fortement corrélés aux valeurs d'épaisseur de référence (r2=0,90), respectivement. La deuxième contribution principale de ces travaux consiste en l'utilisation de la méthode TDTE (Time Domain Topological Energy) et de la migration dans l'imagerie de l'os cortical. L'approche TDTE montre de bonnes performances dans l'imagerie de la structure de l'os cortical (faces interne et externe de l'os, ainsi que la structure poreuse à l'intérieur de l'os). La migration quant à elle peut fournir une distribution quantitative approximative de la densité, de la vitesse de compression et de la vitesse de cisaillement.


  • Résumé

    Ultrasound technology provides an affordable means to implement non-invasive solutions to diagnostically assess the mechanical characteristics of the bone. In this thesis we introduce Orthogonal Matching Pursuit (OMP) to obtain a robust reconstruction of the waveform of each echo bouncing off the cortical bone surfaces. Echoes' time-of-flight and central frequencies are used to calculate Ct.Th and normalized broadband attenuation (nBUA). In vivo measurements have been successfully performed with pulse-echo ultrasound and reference data wase obtained with HR-pQCT (cortical thickness, vBMD). Ct.Th and nBUA were highly correlated to reference thickness values (r2=0.90) and vBMD (r2=0,90), respectively. The second main contribution is that we introduce Time Domain Topological Energy (TDTE) method and migration into cortical bone imaging. TDTE shows well performance in extracting the structure of cortical bone, including the external, internal boundary of cortical bone and porous structure inside the cortical bone. Migration can provide a rough quantitative distribution of density, compression wave speed, and shear wave speed.


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