Imagerie ultrasonore quantitative de l’os cortical

Quantitative ultrasound imaging of human cortical bone

• Auteur / Autrice : Amadou Sall Dia
• Direction : Quentin Grimal, Guillaume Renaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gennisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Derode, François Ollivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Quidu, Alain Lhémery

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réfraction

Porosité

Os

Imagerie ultrasonore

Mots clés libres

Imagerie ultrasonore

Beamforming

Correction de refraction

Imagerie intra-osseuse

Os cortical

Reflexion spéculaire

Ultrasound imaging

Beamforming

Refraction correction

Bone imaging

Cortical bone

Speculaur reflection

Résumé

L'ostéoporose est une maladie caractérisée par une réduction de la masse osseuse et une augmentation de la porosité. Elle affaiblit les os et peut conduire à des fractures de fragilité. Globalement, 1/3 des femmes de plus de 50 ans et 1/5 des hommes de plus de 50 ans subiront des fractures liées à l'ostéoporose, contribuant à plus de 8,9 millions de fractures annuelles dans le monde. Ces fractures peuvent être prévenues si elles sont détectées et traitées suffisamment tôt. Plusieurs techniques ont été développées pour évaluer la qualité osseuse, l'échographie émergeant comme une option peu coûteuse, portable et sûre. L'imagerie par ultrasons du cortex des os longs permet l'évaluation de la qualité osseuse en estimant l'épaisseur corticale et la vitesse d'onde ultrasonore, des biomarqueurs de la résistance mécanique et du risque de fracture. Cependant, des défis se posent avec l'augmentation de la porosité corticale dans l'os ostéoporotique, rendant difficile la détection de la surface interne (endosteum) et limitant la qualité de l'image. L'objectif de ce travail est de concevoir une technique de reconstruction d'images capable d'améliorer les images échographiques de l'os cortical. Cela passe par la compréhension des facteurs influençant la qualité de l'image. Pour ce faire, des ensembles de données échographiques synthétiques et expérimentaux ont été générés. Nos résultats démontrent l'estimation réussie de l'épaisseur corticale et de la vitesse d'onde ultrasonore en utilisant l'imagerie par ultrasons pour un os cortical homogène. L'estimation in vivo de la vitesse d'onde au cortex tibial de sujets sains a atteint une précision de moins de 3%. Cependant, pour les os dégradés, une porosité corticale accrue et une taille de pore vasculaire plus grande créent un bruit qui obscurcit la visibilité de l'interface endostéale. Un nouvel algorithme de formation de faisceau spéculaire corrigé de la réfraction a été proposé pour améliorer la visibilité de l'interface endostéale. L'application de cet algorithme à la fois à des ensembles de données ex vivo et in vivo a révélé une visibilité améliorée par rapport à la formation de faisceau Delay-and-Sum (DAS) traditionnelle. Ce travail offre une meilleure compréhension des facteurs affectant le contraste des images échographiques osseuses et propose de considérer les diffuseurs comme des réflecteurs spéculaires pour améliorer la visibilité de l'interface endostéale. En évaluant la spécularité de l'interface endostéale, il devient possible d'évaluer potentiellement la rugosité de l'endosteum. Cela ouvre la voie à la conception de nouveaux quantificateurs de qualité mécanique osseuse. L'imagerie échographique osseuse montre des promesses dans l'identification et le suivi des personnes présentant une faible qualité mécanique osseuse corticale à risque de fracture ostéoporotique.

Osteoporosis is a disease characterized by a decrease in bone mass and an increase in porosity, weakening the bones and potentially leading to fragility fractures. Globally, one-third of women over the age of 50 and one-fifth of men aged over 50 will experience osteoporosis-related fractures, contributing to over 8.9 million fractures annually worldwide. Early detection and treatment can prevent these fractures. Several techniques have been developed to assess bone quality, with ultrasound emerging as a cost-effective, portable, and safe option. Ultrasound imaging of the cortex of long bones allows for the evaluation of bone quality by estimating cortical thickness and ultrasonic wave-speed, which are biomarkers of mechanical strength and fracture risk. However, challenges arise with increased cortical porosity in osteoporotic bone, making it difficult to detect the inner surface (endosteum) and limiting image quality. The aim of this study is to design an image reconstruction technique to enhance ultrasound images of cortical bone. This involves understanding the factors influencing image quality. Synthetic and experimental ultrasound datasets were generated to achieve this. The results demonstrate successful estimation of cortical thickness and ultrasonic wave-speed using ultrasound imaging for homogeneous cortical bone. In vivo estimation of wave-speed at the tibial cortex of healthy individuals achieved a precision of less than 3%. However, for degraded bones, increased cortical porosity and vascular pore size create speckle that obscures the visibility of the endosteal interface. A novel refraction-corrected specular beamforming algorithm was proposed to improve the visibility of the endosteal interface. Application of this algorithm to both ex vivo and in vivo datasets revealed enhanced visibility compared to traditional Delay-and-Sum (DAS) beamforming. This study provides a better understanding of factors affecting bone ultrasound image contrast and proposes considering scatterers as specular reflectors to enhance endosteal interface visibility. By evaluating the specularity of the endosteal interface, it becomes possible to potentially assess the roughness of the endosteum. This opens a way for designing new bone mechanical quality quantifiers. Bone ultrasound imaging shows promise in identifying and monitoring individuals with low cortical bone mechanical quality at risk of osteoporotic fracture.