Spectroscopie par résonance ultrasonore pour la caractérisation viscoélastique de l'os cortical

Deep understanding of the structure-function relationships of cortical bone in the context of bone quality assessment is still missing. Currently available methods to measure millimeter-scale elasticity ex vivo have limitations arising from the anisotropy of the tissue, its heterogeneity, and the small size of the specimens. Resonant ultrasound spectroscopy is particularly suitable for the measurement of small anisotropic specimens. This method estimates elasticity from the free resonant frequencies of a specimen, and damping from the width of the resonant peaks. Its application to cortical bone was considered challenging because of the high damping of the vibrations modes, which causes overlapping of the resonant peaks and prevents a direct measurement of the resonant frequencies. To overcome the difficulty, adaptations of all the steps of RUS – measurement, signal processing and inverse estimation of the material properties – have been introduced. Validation of each step of the procedure has been achieved by application to several test samples, includinga cortical bone specimen and bone-mimicking composite and polymer specimens. RUS was shown to be precise and accurate, with the advantage of providing the complete stiffness tensor from the measurement of a single specimen. Additionally, an original Bayesian formulation of the inversion provides an automated solution to a problem that was previously solved by tedious trial-and-error procedures or complex additions to the basic experimental setup. Finally, the application to a large collection of human tibiae specimens demonstrates that RUS can be considered a routine method to characterize the viscoelasticity of bone.Une meilleure compréhension des relations entre la structure complexe de l’os cortical et ses propriétés mécaniques est nécessaire à l’évaluation de la qualité osseuse. Les méthodes conventionnelles ex vivo de mesure de l’élasticité à l’échelle du millimètre ont des limitations liées à l’anisotropie du tissu, à son inhomogénéité et à la petite taille des échantillons. Au contraire, la spectroscopie par résonance ultrasonore (RUS) est bien adaptée à la mesure de petits échantillons anisotropes. Cette méthode estime l’élasticité à partir des fréquences de résonance de l’échantillon,et l’amortissement à partir de la largeur des pics de résonance. Son application à l’os était considérée difficile, du fait de l’amortissement important des modes de vibration, qui induit un recouvrement des pics de résonance et complique la mesure des fréquences. Pour surmonter cette difficulté, des adaptions de la méthode – dans la mesure, le traitement du signal et l’estimation des propriétés du matériau – ont été proposées. Elles ont été validées sur de l’os cortical et sur des échantillons de polymère et de matériau composite imitant l’os. La précision de la méthode a été démontrée, ainsi que sa capacité à mesurer tous les termes du tenseur d’élasticité à partir d’un seul échantillon. De plus, une nouvelle formulation Bayésienne de l’inversion apporte une solution automatique à un problème qui nécessitait une stratégie fastidieuse d’essai-erreur ou de complexes modifications du dispositif expérimental. Finalement, l’application à une grande collection d’échantillons de tibias humains démontre que la méthode RUS pourrait être utilisée en routine pour la mesure de la viscoélasticité de l’os