Perspectives pour l'imagerie et la thérapie ultrasonores de tissus osseux. Cas particulier de l'os d'enfant

Imaging and therapeutic perspectives of bone tissues using ultrasounds. Special case of children's bones

• Auteur / Autrice : Elise Doveri
• Direction : Philippe Lasaygues, Cécile Baron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Acoustique
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA - Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique
• Jury : Président / Présidente : Catherine Potel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lasaygues, Quentin Grimal, Cécile Baron, Claude Inserra, Jean-François Aubry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Quentin Grimal, Claude Inserra

Mots clés

Mots clés libres

Tomographie ultrasonore

Full-Waveform Inversion

Stimulation ultrasonore pour la régénération osseuse

Lentille acoustique

Streaming acoustique

Modèle numérique

Ultrasound Computed Tomography

Full-Waveform Inversion

Ultrasound stimulation of bone regeneration

Acoustic lens

Acoustic streaming

Numerical modeling

Résumé

Ce sujet de thèse porte sur l'interaction des ultrasons avec le tissu osseux pour l'imagerie et pour la thérapie. Partie 1 - Imagerie : L’obtention d’images paramétriques par des techniques non invasives, non irradiantes et non ionisantes est un enjeu majeur particulièrement dans le contexte du diagnostic et du suivi de pathologies en orthopédie pédiatrique. Dans cette thèse, la tomographie ultrasonore dans une version linéaire améliorée par des traitements en ondelettes, et une version non-linéaire par Full-Waveform Inversion sont implémentées et testées sur un bras artificiel de nouveau-né. Partie 2 - Thérapie : L’effet des ultrasons sur le tissu osseux peut également être thérapeutique. Si la stimulation de la cicatrisation osseuse est étudiée depuis les années 50, les mécanismes sous-jacents demeurent mal identifiés, ce qui alimente la controverse. Le contexte général du travail présenté dans cette thèse est la compréhension des mécanismes multiéchelles agissant lors de la stimulation ultrasonore du remodelage osseux, et notamment la mécanotransduction (réponse biologique à une stimulation mécanique). Pour cela, un modèle éléments finis (Comsol Multiphysics), développé par Meysam Majnooni (thèse, 2018-2022), a été enrichi par l’ajout de lentilles acoustiques composites dédiées à l’optimisation du champ ultrasonore délivré aux cellules contenues dans une boîte de Petri, garantissant ainsi la pertinence des interprétations expérimentales ultérieures. Par ailleurs, l’un des mécanismes susceptibles de déclencher la mécanotransduction des cellules osseuses sous stimulation ultrasonore pourrait être la génération de streaming acoustique dans le réseau lacuno-canaliculaire contenant les ostéocytes, cellules osseuses pilotant le remodelage osseux. Pour étudier plus en détail cette hypothèse, un modèle numérique permettant d’estimer le streaming acoustique dans un matériau poreux biomimétique (tel que la matrice osseuse) a été réalisé.

This thesis focuses on the interaction of ultrasounds with bone tissue for bone imaging and therapy. Part 1 - Imaging: Obtaining parametric images using non-invasive, non-irradiating and non-ionising techniques is a major challenge, particularly in the context of diagnosis and monitoring in paediatric orthopaedics. In this thesis, ultrasound computed tomography in a linear version improved by wavelet processing, and a non-linear version by Full-Waveform Inversion are implemented and tested on a newborn artificial arm. Part 2 - Therapy: Ultrasound can also have a therapeutic effect on bone tissue. Although the stimulation of bone healing has been studied since the 1950s, the underlying mechanisms remain poorly identified, fuelling controversy. The general context of the work presented in this thesis is to understand the multi-scale mechanisms involved in ultrasound stimulation of bone remodelling, and in particular mechanotransduction (biological response to mechanical stimulation). To this end, a finite element model (Comsol Multiphysics), developed by Meysam Majnooni (thesis, 2018-2022), has been enhanced by the addition of composite acoustic lenses dedicated to optimising the ultrasound field delivered to the cells contained in a Petri dish and thus guaranteeing the relevance of subsequent experimental interpretations. Furthermore, one of the mechanisms likely to trigger mechanotransduction of bone cells under ultrasound stimulation could be the generation of acoustic streaming in the lacuno-canalicular network containing osteocytes, the bone cells driving bone remodelling. To investigate this hypothesis in more detail, a numerical model was developed to estimate acoustic streaming in a biomimetic porous material (such as bone matrix).