La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur. / Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer et de valider expérimentalement un modèle de diffusion adapté au sang agrégeant, prenant en compte une forte fraction volumique de globules rouges (hématocrite de 40%) et des structures d’agrégats polydisperses. Un modèle développé récemment pour l’estimation de la microstructure du sang est la théorie de milieu effectif combinée à un modèle de facteur de structure monodisperse. Pour augmenter le domaine de validité de ce modèle en hautes fréquences, nous proposons une théorie de milieu effectif prenant en compte la composante incohérente de la diffusion par des agrégats de globules rouges. A l’aide de simulation numériques tridimensionnelles, nous montrons que la nouvelle modélisation permet de prédire les coefficients de rétrodiffusion de façon satisfaisante pour un produit $kR<2$ ($k$ étant le nombre d’ondes et $R$ le rayon d’un agrégat). Par ailleurs, nous proposons une théorie de milieu effectif combinée à un facteur de structure polydisperse afin d’estimer, à partir de la mesure expérimentale du coefficient de rétrodiffusion, des paramètres de structure des agrégats : le rayon moyen de la distribution de tailles, son étalement, et la compacité des agrégats. Des expériences réalisées sur du sang de porc cisaillé dans un dispositif de Couette couplé à une sonde ultrasonore montrent que le modèle polydisperse permet d’obtenir de meilleures courbes d’ajustement des coefficients de rétrodiffusion en comparaison des modèles monodisperses classiques. Les tailles d’agrégats estimées par ultrasons sont corrélées de façon satisfaisante (r$^2$ $\approx$ 0.92) avec les tailles estimées par ailleurs dans un dispositif optique. / This thesis aims to develop and evaluate a scattering model for aggregating blood, taking into account the high volume fraction of red blood cells in blood (40%) and the polydispersity in terms of aggregate size. The effective medium theory combined with the monodisperse structure factor model was recently developed to estimate blood microstructure. In order to improve the modeling at high frequency range, we proposed an effective medium theory that takes into account the incoherent component of the scattering by aggregates of RBCs. Three dimensional simulations were performed and showed that the consideration of the incoherent component allows to approximate the simulation satisfactorily for a product of the wavenumber times the aggregates radius $kR$ up to 2. Besides, we proposed an effective medium theory combined with a polydisperse structure factor. From the measured BSC, this model allows to estimate three structural parameters: the mean radius of the aggregate size distribution, the width of the distribution, and the compactness of the aggregates. Experiments were performed on pig blood shared in a Couette device coupled with an ultrasonic probe, and showed that the polydisperse modeling provides better fitting to the experimental BSC data, when compared to the classical monodisperse models. Satisfactory correlation is obtained (r$^2$ $\approx$ 0.92) between the aggregate sizes estimated with ultrasound and the aggregate sizes estimated on the same sample in an optical device.

An Yucatan Micropig(R) wurde überprüft, ob die systemische Applikation von Wachstumshormon (GH) in der Lage ist, die Regeneratkonsolidierung bei der Distraktionsosteogenese signifikant zu beschleunigen. Es erfolgte die Entwicklung eines speziellen externen Fixateurs (Halbringf.) mit welchem biomechanische in-vivo Messungen durchgeführte werden konnten. Ebenso wurden serologische, sonographische, röntgenologische, computertomographische, histomorphometrische und post mortem biomechanische Untersuchungen entwickelt und durchgeführt. Die Applikation von rekombinantem spezies-spezifischen Wachstumshormon bei der Distraktionsosteogenese zeigte bei dem von uns gewählten Tiermodell eine signifikante Beschleunigung der Regeneratkonsolidierung. Die biomechanischen Messungen ergaben eine mehr als verdoppelte Steifigkeit und Festigkeit der distrahierten Tibiae nach nur 10 Tagen Konsolidierungszeit im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die CT erbrachte für die mit GH behandelten Tiere einen signifikant erhöhten Mineralisierungsgrad im Regenerat, zum gleichen Ergebnis kam die digitale Lumineszenzradiographie und die sonographische Vermessung des Regeneratdurchbaus. Somit zeigten alle Meßmethoden eine deutliche Beschleunigung der Regeneratkonsolidierung durch systemisch appliziertes GH. In den serologischen Untersuchungen fand sich eine signifikante Korrelation zwischen dem Serumspiegel der b-ALP und dem des IGF-I. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Wirkung des Wachstumshormons auf das Regenerat durch seinen Mediator IGF-I bedingt ist. / To investigate the effect of systemic growth hormone (GH) application experiments were performed in a micropig animal model. Systemic daily s.c. injection of species-specific recombinant GH was investigated in Yucatan micropigs to evaluate the effect on intramembranous bone formation in distraction osteogenesis. Quantitative computed tomography (qCT), quantitative ultrasound, digital luminescence radiography, biomechanical in-vivo and post mortem testing, serological investigations as well as histomorphometric analyses were performed to investigate differences in regenerate formation. Systemic GH administration significantly increased in the present animal model the torsional stability of the regenerate in-vivo as well as post mortem in comparison to the contralateral side. Also all additional methods showed an accelerated regenerate consolidation in case of GH application. Systemic Insulin-like growth factor -I levels correlated well with the bone specific alkaline phosphatase levels. This may indicate, that the effect of GH on the distraction osteogenesis is IGF-I mediated.