Evaluation du micro-endommagement osseux par spectroscopie ultrasonore non-linéaire (vers une mesure quantitative)

Abstract

La caractérisation du micro-endommagement et la compréhension de son rôle dans le métabolisme ou dans la fragilisation osseuse restent des challenges, tout particulièrement en raison de l absence de techniques de mesures bien adaptées à son étude. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles techniques non-invasives pour détecter et suivre l accumulation de micro-endommagement osseux, en particulier celui qui se manifeste par la présence de microfissures. L objectif de la thèse est d évaluer la sensibilité de la spectroscopie ultrasonore non-linéaire (NRUS) à l accumulation du micro-endommagement osseux. La sensibilité et la reproductibilité de la technique NRUS ont tout d abord été optimisées. Puis, deux groupes d échantillons d os cortical ont été prélevés sur des diaphyses fémorales humaines. Les spécimens du premier groupe ont été endommagés progressivement par fatigue en flexion 4-points. Le second groupe a subi un test de ténacité pour initier et propager de manière contrôlée une fissure unique. Nos résultats montrent que la non-linéarité mesurée des échantillons fatigués et fissurés augmente de manière significative après les étapes de fatigue ou le test de ténacité. De plus, nous observons une corrélation significative entre la variation relative du paramètre non-linéaire et l augmentation de la densité de petites fissures (évaluée par microtomographie par rayonnement synchrotron). Enfin, le niveau de non-linéarité des spécimens fissurés est significativement corrélé à la longueur totale de la fissure. Ces résultats suggèrent que la technique NRUS optimisée est sensible à l accumulation du micro-endommagement osseux.Bone microdamage characterization as well as its involvement in bone metabolism or bone fragility remains a challenge, especially because no existing techniques are well suited to its measurement. Non invasive techniques for detecting and monitoring bone microcracks accumulation and propagation are thus highly desirable. The objective of this thesis was to evaluate the sensitivity of nonlinear resonant ultrasound spectroscopy (NRUS) measurements to the accumulation of damage in cortical bone by fatigue or by controlled crack propagation. First, NRUS method was optimized to achieve highly sensitive and reproducible bone nonlinearity measurements. Then, two groups of human cortical bone specimens were machined from the femoral mid-diaphysis. The first group was taken through a progressive fatigue protocol consisting of four steps of cyclic four-point bending. The second group was taken through a toughness protocol consisting of initiation and controlled propagation of a stable crack induced by 4-point bending mechanical loading. Our results evidenced a progressive increase of the nonlinear elastic parameter during fatigue testing or during toughness experiments. Moreover, the relative variation of nonlinear elasticity of the fatigued specimens was significantly related to the relative variation of the number density of small cracks assessed with micro-computed tomography, whereas in crack propagation experiments a significant relationship was found between the level of nonlinearity and total crack length. These results strongly suggest that NRUS measurements are sensitive to damage accumulation and bone non-linearity can be used as a marker of bone damage.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF