CA2184510C - Procede et dispositif d'evaluation et de caracterisation des proprietes des os - Google Patents

Abstract

Procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, par propaga- tion d'une onde ultrasonore au travers de l'os et l'étude de l'interaction de cette onde avec l'os, caractérisée en ce que: on réalise un balayage de l'os à l'aide d'un faisceau ultra- sonore obtenu à partir de transducteurs focalisés; on recueille les signaux transmis au travers de l'os et/ou réfléchis par les faces de l'os et/ou diffusés par les structures internes de l'os; on met en mémoire les signaux obtenus et on traite les signaux ainsi stockés pour la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, de l'épaisseur de l'os, du co- efficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore et des paramètres de réflexion pour l'estimation des coefficients de rétro-d iffusion et d'atténuation.

Description

2i~~510 ! .:~ : ..
Procédé et dispositif d'évaluation et de caractérisation des propriétés des - os ~o La présente invention est relative à un procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, mettant en oeuvre la technique des ultrasons, en vue de (obtention d'images paramétriques.
Au cours des dernières années sont apparus sur le marché des appareils ~s ultrasonores permettant la mesure de l'atténuation et de sa dépendance en fonction de la fréquence (coefficient d'atténuation), ou de la vitesse de propagation des ultrasons en transmission à-travers le calcanéum ou !a rotule.
Ces dispositifs sont essentiellement destinés au dépistage ou au suivi de l'ostéoporose.
.o On connaît déjà un certain nombre de dispositifs assurant l'évaluation de l'os in vivo par la mise en oeuvre de faisceaux d'ultrasons.
Les publications W0 90/01903 et WO 87/07494 décrivent des appareils ~s permettant d'efFectuer une mesure de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'os en utilisant deux transducteurs qui sont placés de part et d'autre de (os.
US-A-4 774 959 décrit un dïspositif assurant la mesure du coefficïent d'atténuation en transmission à (aide d'une première paire de transducteurs, ce ~o dispositif comportant une seconde paire de transducteurs assurant une mesure de l'épaisseur de l'os à fendroït où le faisceau ultrasonore a traversé l'os.
F~t!ll.l F ;aO~iFitE

2 EP-A-0341 969 et 0 480 554 décrivent des dispositifs permettant la mesure du coefficient d'atténuation en transmission et de la vitesse des ultrasons à
l'aide de transducteurs placés face à face.
Enfin US-A-4 941 474 décrit urt appareil permettant d'analyser à la fois des signaux transmis à travers, l'os et des signaux qui sont réfléchis ou diffusés par l'architecture interne de l'os. Cet appareil comporte au moins un transdûcteur.
émettant un faisceau ultrasonore au-travers de l'os, des moyens pour recevoir et mettre en mémoire les signaux transmis-au-travers de l'os ou réfléchis par les faces de celui-ci et des moyens pour traiter les signaux ainsi stockés en vue de la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, de l'épaisseur de ce dernier, du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore et des paramètres de réflexion. Cet appareil ne permet pas de réaliser des images paramétriques.
L'expérience découlant de l'utilisation des appareils .connus mentionnés ci-dessus démontre que les mesures qu'ils permettent d'effectuer restent rudimentaires et que la précision, la sensibilité et la reproductibilité de ces mesures doivent être améliorées. En outre, aucun de ces appareils connus ne permet l'obtention d'images paramétriques.
Partant. de cet état de~ la technique, l'invention apporte un procédé du type défini dans US-4 941 474, mais permettant d'obtenir des images paramétriques, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un faisceau ultrasonore qui est obtenu à l'aide de transducteurs focalisés et en ce qu'on réalise un.
balayage de ce faisceau suivant une ou plusieurs directions différentes de la direction de propagation des ultrasons, notamment selon des axes orthogonaux.
Un premier aspect de la présente invention concerne un procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, par propagation d'une onde ultrasonore au-travers de l'os et l'étude de l'interaction de cette onde avec l'os, en vue de l'obtention d'images paramétriques selon lequel:

3 - on utilise au moins un transducteur focalisé émettant un faisceau ultrasonore au travers de l'os;
- on réalise un balayage dudit faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ultrasonore;
- on recueille les signaux choisis d'un groupe comprenant des signaux transmis au-travers de l'os, des signaux réfléchis par les faces de l'os, des signaux diffusés par les structures internes de l'os et n'importe quelle combinaison de ces dits signaux;
- on met en mémoire les signaux obtenus et, on traite les signaux ainsi stockés pour des mesures choisies d'un groupe comprenant la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, la mesure de l'épaisseur de l'os, la mesure du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore, la mesure des paramètres de réflexion pour l'estimation des coefficients de rétrodiffusion et d'atténuation et n'importe quelle combinaison de ces dites mesures.
Salon la présente invention, pQUr la réalisation, en mode transmission, d'images paramétriques d'atiénuation en fonction de la fréquence et de la vitéssë de propagation des ultrasons on met en oeuvre une paire de transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, et pouvant fonctionner à basse fréquence, c'est-à-dire à
une fréquence contrôlée comprise entre 100 kHz et 3 MHz.
L'invention vise en second lieu uri àppareil permettant de mettre en oeuvre le procédé te! que spécifié ci-dessus.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comportant des moyens d'émission et de réception ultrasonores placés en vis-à-vis de part et d'autre de l'os à analyser, un module d'acquisition incluant les moyens d'émissions d'ultrasons et de réception des signaux ultrasonores après leur interaction dans l'os, un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus et, un module de traitement desdits signaux pour l'estimation des paramètres acoustiques 3a connus pour leur relation avec les propriétés mécaniques ou viscoélactiques de l'os caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception ultra-sonores sont focalisés et en ce que le dispositif comprend des moyens permettant de réaliser un balayage du faisceau ultrasonore ainsi émis.
Selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invenüon, on utilise des transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, ces transducteurs étant. du type monoélément.

~ia~~iï0 R'O 95/26160 PCTlFR95IQ0376 Selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, on utilise des transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, ces transducteurs étant du type monoélément.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, les mesures peuvent ëtre effectuées en immersion, le dispositif comportant alors une enceinte remplie d'un liquïde tel que de l'eau, ou bien ces mesures peuvent ëtre effectuées par contact à l'aide d'un milieu de couplage et en utilisant un réseau de transducteurs ultrasonores.
io Ce dispositif est en outre caractérisé en ce que le module de traitement de signal comporte un ordinateur, une mémoire de masse et un ensemble da logiciels de traitement de signaux conçus pour l'exploitation des données provenant du module d'acquisition, ce module de traitement comportan# un ensemble de fonctions t5 permettant notamment d'effectuer le calcul du coefficient d'atténuatïon en transmission, le calcul de l'épaisseur de fos traversé à l'endroit de la mesure, le calcul de la vitesse de propagation, le calcul du coefficient de rétrodiffusïon en réflexion et le calcul du coefficient d'atténuatïon en réflexion.
.o D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-aprés en référence aux dessins annexés qui en ïllustrent divers exemples de mise en oéuvre et de réalisation, dépourvus de tout caractère limitatif.
Sur les dessïns as - la figure 1 est uns vue schématique en élévatïon représentant un exemple de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre du procëdé objet de (invention ;
- la figure 2 est un schéma par blocs ïllustrant, d'une façon gënérale, le module d'acquisition des données mis en oeuvre par !'invention ;
~o - la figure 3 est également un schéma illustrant d'une façon générale un module d'acquisition fonctionnant à la fois en transmissîon et en réflexion ;

21~~~10 - la figure 4 est un schéma illustrant le principe de l'acquisition en transmission ;
- la figure 5 est un schéma qui illustre le principe général de l'acquïsition en transmission et en réflexion ;

- la figure 6 est un schéma illustrant une variante du mode d'acquisition en ' transmission et réflexion ;
la figure 7 est un schéma par blocs illustrant le principe général du traitement des to signaux dans le procédë et le dispositif objet de l'invention ;
- la figure 8 est un schéma illustrant le traitement du signal transmis en vue de la mesure de la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans l'os ;
- la figure 9 est encore un schéma illustrant le traitement du signal, en mode échographique, en vue de la mesure de l'épaisseur de l'os et, - la figure 10 est un schéma par blocs illustrant le principe du traitement du signal transmis pour la mesure de l'atténuation.
ao En se référant à la figure 1, on voit que, dans cet exemple de réalisation non limitatif, le dispositif mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention comporte essentiellement une enceinte 10 remplie d'eau permettant de réaliser les mesures en immersion, la présence du milieu liquide assurant un bon couplage entre la 2s source de rayonnement et l'os dont an veut évaluer notamment les propriëtés mécaniques. Ce dispositif comporte une source d'émission d'ultrasons, constituée ici de paires de transducteurs ultrasonores piézoélectriques focalisés, placés en vis à
vis de part et d'autre de l'os à analyser, l'une des paires de transducteurs tels que 12 fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire dans le domaine de fréquences de 1 so MHz à 10 MHz, spécifié ci-dessus, alors que l'autre paire de transducteurs tels que 14, fonctionnent à basse fréquence dans un domaine compris entre 100 kHz et 1 MHz. Ces paires de transducteurs sont montées sur un pont mobile qui sur la figure ~;~~l~:J.~' C. I
G
W095/2bt60 PCT/FA95l0037b 1 a été représenté respectivement en position relevée 1F~ et en position abaissëe 16' pour la mesura.
Ainsi qu'on l'a spécifié ci-dessus, le principe sur laque! repose le procédé
objet de s (invention réside dans la transmission d'une onde ultrasonore dans l'as et dans (étude de l'interaction ds cette onde avec l'os. Le dispositif selon l'invention illustré
par la figure 1 peut fonctionner à la fors en transmission et en réflexion.
Dans cet exemple de réalisation, ü est muni d'un système classique de balayage du faisceau ultrasonore, ce balayage étant obtenu par déplacement des transducteurs focalisés ~o sous l'action de deux moteurs assurant les déplacements dans un plan, selon les axes orthogonaux X et Y, permettant ainsi une exploration de la totalité du volume osseux.
Le dispositif comporte en outre un module d'acquisition chargé de l'émission des 15 signaux ultrasonores et de la rëception de ces signaux après leur interaction dans las. On prévoit également un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus, et un module de traitement de ces signaux pour l'estimation de certains paramètres acoustiques connus pour leur relation avec les propriétés mëcaniques au visco-élastïques de l'os.
.o L'invention, grâce notamment à un balayage automatique du faisceau ultrasonore apporte une solution aux difficultés résultant de futilisatïon des appareils actuels, notamment en ce qui concerne un positïonnement précis de (os pour ta mesure et la localisation de la région où s'effectue la mesure. L'invention permet en outre zs d'effectuer des mesures ultrasonores en transmission à travers l'os et en réflexion.
Le recueil des signaux réfléchîs etlau diffusés par l'architecture interne de l'as apporte une information complémentaire à celle qui est dëjà contenue dans les signaux qui ont èté transmis à travers l'os. Ainsi le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une quantité d'informations bien supérieure à celle obtenus par les 3o dispositifs de types connus. En outre, l'invention apporte une bien meilleure précision.

21~~~~1~
wo 9sizsiso ' Comme on fa spécifié dans le préambule de la présente description, le procédé
objet de l'invention permet d'obtenir, en mode transmission, des images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore, en mettant en oeuvre une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis et fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 1 MHz.
L'invention permet également de rëaliser, en mode échographique, des images de rêflectivité et d'obtenir une estimation des coefficients d'atténuation et de rétro-to diffusion, en utilisant un seul transducteur focalisé ou une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis, et fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz et 10 MHz.
Enfin, on peut également grâce au procédé de l'invention, réaliser des images de t5 réfiectivité en mode échographique et obtenir une estimation moyenne des coefficients d'atténuatïon etlou de rétrodifFusion en fonction de la frëquence du faisceau ultrasonore, et également réaliser en transmissïon des images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore. Dans cette application, (invention met en .o oeuvre une paire de transducteurs placés en vis à vis et fonctionnant à
basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kNz et 1 MHz, et une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis et fonctionnant à
haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz e( 10 MHz.
a Ainsi qu'on fa déjà spécifié ci-dessus. le dispositif mettant en oeuvre le procédé
selon l'invention comporte essentiellement un module « Acquisition du signal ultrasonore » et un module « Traitement du signal ».
Le module a Acquisition » a pour fonctions so - l'émission des ondes ultrasonores à l'aide des transducteurs définis ci-dessus ;

x ~~~j10 WO 95P26160 PCTlFR95IOa37G
1a réception d'ondes ultrasonores, dites de rëférence, fa réception d'ondes ultrasonores transmises à travers fos, la réception d'ondes réfléchies etlou diffusées par l'os et ses structures - le balayage de tout le volume osseux par le faisceau ultrasonore.
Ge module zc Acquisition ~> se compose comme dëfini ci-dessus des sources et ' récepteurs ultrasonores (paire de transducteur focalisés). L'impulsion ultrasonore ainsi rayonnée est transmise dans te milieu de propagatïon avec lequel elfe interagit.
to Ainsi qu'on fa spécifié cï-dessus, la mesure peut être faite en immersion pour obtenir un bon couplage entre la source de rayonnement et l'os. L'interaction encre le milieu de propagation et l'onde incidente donne naissance à une onde directement transmise fonde cohérente) et à une ou plusieurs ondes réflëchïes ou diffusées par l'os etlou ses structures internes.
Ce module a Acquisïtton » se compose en outre d'un étage de détection, amplification (par exemple contrôle automatique de gain) et de conversion analogique-digitale des signaux, d'un ordinateur, et d'un processeur avec son environnement classique. Gette partie du dispositif est de conception classique et en 2o conséquence elle ne s~~a pas décrite.
Ce module comporte en outre, dans cet exemple de réalisatîon, le dispositif mécanique assurant le balayage du faisceau ultrasonore dans un plan perpendiculaire à la dïrection de propagation des faisceaux ultrasonores. Lors du =s balayage, l'émetteur et te récepteur ultrasonores effectuent le méme mouvement, de façon synchrone, si bien que leur position relative reste identique. Ce balayage est assuré à (aide de deux orateurs programmables.
La figure 2 est un schéma général du disposïtif selon l'invention assurant un ~o fonctionnement uniquëment en mode transmission. Ce dispositif comporte un transducteur T1 pour l'émission, associé à un transducteur T'1 pour la réception, dïsposé en vis-à-vis. Les transducteurs sont focalisés, la distance quï !es sépare ëtant égale environ au double de la distance focale. Le transducteur T'1 détecte les h 21~~~~0 Wa 95126160 PCT/Flt95l00376 ondes émises par le transducteur Ti, et les transforme en signal électrique qui est amplifié, numérisé, et transféré sur l'ordinateur.
La figure 3 représente un schéma général d'un dispositif fonctionnant à la fois en ' S mode transmission et réflexion. Un transducteur ultrasonore T2 ou T3 est excité
périodiquement de manière à rayonner une onde ultrasonore dans le milieu de propagation. Cette onde interéagit avec le milieu de propagation et elle subit une réflexion partielle etJou une diffusion. Une partie de l'énergie incidente est réfléchie à (entrée de l'os, une partie de l'énergie transmise dans l'os est ensuite diffusée par ~o les structures internes de ce dernier et notamment rétrodifFusée vers le transducteur-émetteur T2 ou T3. C'est ce mëme transducteur T2 ou T3 qui sert de récepteur pour détecter les ondes réfléchies par l'os et rétrodiffusées par l'architecture interne de ce dernier et pour ies transformer en signal ëlectrique qui est ensuite ' amplifië, numérisë, et transférë sur l'ordinateur. Le transducteur T2 ou T3 est relié
i5 électriquement à l'étage de réception. L'utilisation combinée en réflexion de deux transducteurs T2 et T3, placës en vis à vis, permet de détecter simultanément les échos de deux faces opposées de l'os. On peut ainsi effectuer une mesure automatique ultrasonore de l'épaisseur de l'os. De plus, un traitement de signal peut étre effectué ultérieurement sur les signaux rétrodiffusés et enregistrés par les ~o transducteurs T2 ou T3 afin d'en extraire des paramétres acoustiques utiles pour caractériser l'os : attënuation en fonction de la fréquence, section efficace de rétrodiffusïon, paramètre de texture etc...
Pour fonctionner simultanément en transmission et en réflexion avec deux paires de ~5 transducteurs placées en vis à vis, on utilise de préférence la solutïon illustrée par la figure 3 selon laquelle on met en oeuvre trois étages de génërateurs d'impulsions pour commander les transducteurs T1, T2 et T3, les excitations étant séquentielles dans le temps : Ti émet le premier, lorsque T'1 a détecté l'onde émïse par Ti, émet ef il détecte les signaux réfléchis et rétrodiffusés. Enfin T3 est excité
à son ~o tour.
Une autre solution plus économique maïs moins rapide consiste à n'utiliser qu'un seul générateur d'impulsïons commun pour l'excitation des transducteurs Ti, T2 et ~î84~1~

WO 95126160 i 0 T3. Dans ce cas, il suffit de prévoir un commutateur pour diriger (impulsion excitatrice vers un transducteur différent à chaque tir. Ce commutateur est relié au microprocesseur qui contrôle la commutation. Cette variante n'a pas été
représentée.
s Sur la figure 4, on a représenté le diagramme de l'acquisition par transmission. Les différentes étapes de cette acquisition ressortent clairement de (examen de cette figure.
io pn peut utiliser deux solutions pour l'acquisition des données en transmission et en réflexion.
Dans la première solution illustrée par la figure 5 les données transmises et réfléchies sont enregistrées au cours d'un balayage unique. Pour chaque posïtion i5 X,Y, des transducteurs T1, T2, T3 sont excités successivement. Dans fa seconde solution illustrée par la figure 6, les données transmises et réfléchies sont enregistrées au cours de trois balayages différents : le premier balayage est destiné
à (acquisition des données par la paire des transducteurs T1 et T'1 et les deuxiéme et troisième balayages sont destinés à l'acquisition des données en réflexion par les .a transducteurs T2 et T3.
II est possible d'acquérir plusieurs signaux à la suite pour une position fixée des transducteurs. L'amélioration du rapport signailbruit est obtenue par l'intermédiaire de la moyenne de cés différentes acquisitions. Dans le cas où cette possibilité
25 existe, l'ëmission-réception est répétée autant de fois que cela est nëcessaire. Une fois cette séquence d'acquisïtion terminée, la position des moteurs est incrémentée et (opération peut êfid répétée.
Dès que la phase d'acquisition des signaux est terminée, tous les signaux ~o numërisés sont mis en mémoire et la phase de traitement de signal peut alors commencer, soit dë façon automatique, soit par I"intermëdiaïre d'un ordre de commande lancë par (opérateur.

WO 95126160 ~ r~ ~ ~ ~ PCTIFRJ5100376 Le dispositif mettant en oeuvre la présente invention comporte, ainsi qu'on fa précisé ci-dessus, un module de traitement de signal. Le principe général du traitement des signaux est illustré par le schéma de la figure 7.
> Ce module de traitement de signal comporte un ordinateur, une mémoire de masse et un ensemble de logiciels de traitement de signaux conçus pour (exploitation des données précédemment acquises en transmission etlou en réflexion. II comporte un ensemble de fonctions pré-programmées permettant notamment d'effectuer les calculs suivants to t5 - calcul de l'atténuation (en dB) en fonction de la fréquence en transmission - calcul du coefficient d'atténuation en fonction (en dBlMHz) de la fréquence en transmission - calcul des temps de vol des signaux transmis à travers l'os - calcul de l'épaisseur de l'os traversé à (endroit de la mesure ~o - calcuB du coefficient d'attënuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MHz) en transmission - caicul de la vitesse de propagation des ultrasons en transmission as - calcul de l'atténuation (en d8) en fonction de la fréquence en réflexion calcul du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MHz) en réflexion so - calcul de la section efficace de rétrodïffusion (en dB) en fonction de la fréquence en réflexion - calcul du coefficient de rétrodiffusion (dBlMHz) en rëflexion ~'~~'r~10 W0 95/26160 PCTlFR95/00376 - calcul du coefficient intêgral de rétrodiffusion (dB.MHz) en réfiexian.
II est bien entendu possible d'ajouter d'autres fonctions de traitement de signal ou de traitement d'image susceptibles d'apporter une information quantitative utile à la caractérisation de fos {analyse de texture par exemple).
Les paramètres sont obtenus pour chaque position des transducteurs, ce qui permet d'obtenir une cartographie des paramétres. Un traitement d'images est compris dans u le logiciel permettant ainsi de sélectionner une ou plusieurs régïons de la mesure, de forme quelconque, pour une estimation d'une moyenne locale des paramëtres.
La méthode d'estimation des paramètres {attënuakion et vitesse de propagation) en transmission repose sur la comparaison d'un signai de référence avec un signal ts transmis à travers fos.
Le signal de référence est un signal qui s'est propagé dans un milieu dont les caractéristiques acoustiques (atténuation et vitesse) sont bien connues (l'eau dans cet exemple de réalisation). Le signal de référence et les signaux transmis dans l'os ~o sont enregistrés dans les mëmes conditions. Par exemple, le signal de référence peut ëtre acquis soit lors de (a mise en route de l'appareil, soit avant chaque examen. On peut également enregistrer une référence unique et la stocker dans la mémoire de l'ordinateur pour la rappeler ensuite à chaque examen.
~s On décrira maintenant à titre d'exempte dïvers modes de traitement de signaux pour certaines fonctions réalisées par le procédé de l'invention.
11 Estimation de la vitesse de propagation en transmission.
so Le principe de traitement du signal transmis pour la mesure de cette vitesse est illustré par le schéma de la figure 8. Ce mode de traitement comporte donc les étapes suivantes (~ r W 0 95126160 ~ _ ~ ~ "j ~ ~ I ~ pCT1FR95100376 - Les transducteurs sont à la position X, Y;
Le transducteur Ti ëmet et l'onde ainsi émise, transmise à travers fos, est détectée par le transducteur-récepteur T'1, puis amplifiée, numérisée, et transfërée sur ordinateur. Bien entendu, et comme spécifié ci-dessus, pour des mesures à
travers le calcanéum, les transducteurs et l'os sont placés dans un bain dont la température est contrôlée par thermostat (voir la figure 1). Cette première mesure est destinée à
l'estimation du temps de vol de l'onde transmise à travers l'os et au calcul de la diffërence entre ce temps de vol et celui du signal de référence;
io - Le transducteur T2 (ou T1) émet et le transducteur T2 (ou T1) reçoit le signal ainsi émis et rëfléchi par l'os. L'onde ultrasonore réfléchie est amplïfiée, numérisée, et transfërée sur ordinateur.
rs - On estime la durée du temps de vol de l'écho qui est réfléchi par la face d'entrée de l'os tournée vers le transducteur T2 (ou T1 ) ;
- Le transducteur T3 (ou T'1} émet et le transducteur T3 {ou T"1) assure la réception du signal réfléchi par l'os. L'onde réfléchie est amplifiés, numérisée, et transférée .o sur ordinateur.
- On estime la durée du temps de vol de l'écho réfléchi par la face d'entrée de l'os, qui est tournée vers T3 (ou T'1 ).
~s - Ces deux derniëres mesures sont destinées au calcul de l'épaisseur du calcaneum à l'endroit de la mesure. La vitesse de propagation en transmission de l'onde ultrasonore se déduit de manière connue du temps de vol de fonde entre les deux transducteurs. Pour estimer la vitesse de propagation, il faut connaître l'épaisseur de l'os et celle-ci, selon I"invention, est mesurée par ultrasons.
~a La figure 9 illustre le principe de traitement du signal échographique pour la mesure de cette épaisseur. En effet, par échographie, on peut déterminer la distance séparant un transducteur de la face de l'os (face d'intérét). II suffit d'identifier l'écho 21~~~;;
W0 95126160 ~; PCTlFRJ5J003~6 de cette face et de mesurer son temps de vol. Chaque transducteur T2 et T3 (ou et T'1) est interrogé à tour de rôle en mode échographique, et Ton mesure les temps de vol t1 et t2 des échos réfléchis par chacune des faces latérales opposées de fos.
On en déduit l'épaisseur de l'os.
2/ Estimation du coefficient d'atténuation en Transmission.
Le principe du traitement de signal selon ce mode particulier est illustré par la figure 1~0. 1l comporte les étapes suivantes 1a - Les transducteurs sont initialement dans !a position X,Y
- Le transducteur T1 émet et l'onde transmise à travers l'os est détectée par le transducteur-récepteur T'1, puis elle est amplifiée, numérisée et transférée sur ordinateur. Comme précëdemment, pour des mesures à travers le calcaneum, dans ~5 cet exemple de réalisation, les transducteurs et l'os sont placés dans un bain dont la température est contrôlée par thermostat (fig. 1 );
- On calcule les spectres en fréquence du signal transmis à travers l'os et du signal de rêférence. L'atténuation en fonction de ta fréquence est obtenue par comparaïson 2o du spectre d'un signal de référence enregistré dans l'eau et de celui du signal transmis à travers l'os. Le signal ultrasonore est du type impulsionnel et il comporte plusieurs fréquences dans l'intervalle compris entre Q,2 MHz et 1 MHz.
Afin de s'affranchir des variations liées à l'épaisseur du calcaneum, il faut comparer v les attënuations rapportées à !'épaisseur (dBIMHz.cm) exacte du calcaneum au point de mesure. On a exposé ci-dessus la manière selon laquelle on peut effectuer en mode échographique une mesure ultrasonore de l'épaisseur.
Comme pour tous Tes milieux hétérogènes, la valeur des paramètres acoustiques ~o dépend de l'endroit où la mesure est effectuée. Le dispositff de balayage de l'appareil selon (invention permet d'explorer kout le volume osseux et d'obtenir une cartographie des paramètres. A partir des images d'atténuation en fonction de la fréquence et de ia vitesse de l'onde ultrasonore, on peut sélectionner une région de R'O 95!26160 ~ 5 ~ y~~ ~ ~ ~ PCTlFR95100376 la mesure (région d'intérétj et estimer une moyenne des paramètres dans cette région. Le logiciel comprend quelques fonctions simples de traitement d'images, notamment pour la sélection des régions de mesure, de forme et de taule varïables.
Le support de l'image est utilisé pour sélectionner des régions de mesures s identiques chez des patients différents ou lors de mesures répétées chez un méme paüent.
Ainsi, l'invention permet d'obtenir notamment une imagerie ultrasonore du calcaneum (images d'attënuation et de vitesse) grâce à l'utilisation de transducteurs to focalisés, les images ainsi obtenues étant comparables à celles obtenues par scanner.
3/ Estimation du coefficient d'atténuation et de la section efficace de rétrodiffusion en réflexion, en fonction de la fréquence.
Les différentes étapes de ce mode de traitement des signaux transmis sont les suivantes - Les transducteurs sont à la position X et Y ;
.o - Le transducteur T2 (ou T3, ou T1, ou T'1 ) émet , - Le transducteur T2 (ou T3, ou T1, ou T'1) assure fa rëception du signal échographique rétrodiffusé par l'architecture interne de l'os, ce signal ë#ant ensuite ~5 amplifié, numérisé, et transféré sur ordinateur .
- On effectue une analyse spectrale glissante du signal échographique, et une estimation des spectres en fonction de la profondeur ;
~o - On calcule les centroïdes spectraux en fonction de la profondeur ;
- On calcule le coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MNzj en réflexion ;

r1 ~ s:
~ 6 ' L. i t.F !~ ') W095I26160 PCTlBIt95100376 - On calcule fa différence spectrale entre le spectre du signai et un spectre de référence, puis ton calcule la section effïcace de rétrodiffusion (en dB) en fonction de la frëquence en réflexion ;
- On caicu(e le coefficient de rétrodiffusion (dBIMHz) en réflexion et - On calcule le coefficient intégral de rétrodiffusion (dB.MHz) en réflexion.
Le balayage du faisceau ultrasonore permet de réaliser une exploration de la totalité du m volume osseux Les coefificïents d'atténuation et de rétrodiffusïon sont calculés pour chaque position des transducteurs. On peut ensuite estimer une moyenne locale des paramètres à l'intérieur d'une région d'intérét sélectionnée par l'opérateur.
L'atténuation peut étre estimée à partir du signal échographique radiofréquence t~ échantilloné. Le principe du calcul de l'atténuation repose sur une analyse temps-frëquece du signal échographique.
L'invention permet ainsi de mesurer la section efficace de rétrodiffusion en fonction de la fréquence. On sait en effet que les propriétés physiques des tissus osseux ?o son# mîses en évidence par cette mesure.
II résulte de la lecture de la description qui précéde que l'invention apporte une solution aux diffîcultés posëes par la mise en oeuvre des appareils ultrasonores d'analyse des os actueliernent sur le marché
- le dispositïf de balayage automatique du faisceau ultrasonore permet de résoudre !e problème du positionnement précis de l'os et du positionnement de la région de mesure où d'intérét.
- L'utilisation de transducteurs focalisés permet d'obtenir des images de bonne qualitë ;

WO 95J26160 t ~ ~ ~ ~' ~ !~ ~ ~ pCTlFR95100376 - Elle permet d'obtenir des mesures ultrasonores en transmission à travers las et en réflexion ;
- Elle permet de recueillir et de traiter des signaux réfléchis etlou diffusés par s l'architecture interne de (os, ce qui apporte une information complémentaire à celles se trouvant déjà dans les signaux qui ont été transmis à travers l'os ; Ainsi, le procédé et le dispositif objets de l'invention apportent une quantité
d'informations bien supérieure à celle fournie par les dispositifs selon l'état antërieur de la technique, tout en offrant une précisïan, une reproductibilité et une sensibilité
to meilleures.
Parmï les domaines d'application de l'invention, on a spëcifié ci-dessus (ostéoporose. Dans cette application, l'invention apporte une méthode ph~sïque non traumatique d'évaluation in vivo de la qualité osseuse (masse, rigidité, architecture).
t5 On peut ainsi apprécier de façon quantitative le risque de fracture assocïé
à une diminutïon de la résistance des os, cette diminution étant comme on le sait, une conséquence des phénomènes de déminéralïsation et de modification de l'architecture osseuse rencontrés dans l'ostéoporose.
ao La description faite ci-dessus d'exemples de réalisation de l'invention ne se limite pas aux mesures de calcaneum et de la rotule : il existe bien entendu d'autres domaines d'application de l'invention particulièrement en vue de la surveillance du degré de minéralisation du squelette, notamment afin de suivre l'évolution de l'architecture osseuse ou de l'élasticité de la structure osseuse. Parmi ces _5 applications, on peut citer notamment - La maturation squelettique chez les nouveaux nés ;
Les ostéoporoses secondaires, ostéomalacie, etc...
~o - La surveillance des chevaux de course - La caractérisation de pièces osseuses in vitro.

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a 'W0 95126160 PCT/FR95l0037G
If demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre ni aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi (exemple de réalisation décrit ici se réfère â des mesures effectuées en immersion. Cependant, sans sortir du cadre de la présente invention, les mesures peuvent étre effectuées par contact, en utilisant un réseau de transducteurs et un milieu de couplage, le balayage du faisceau ultrasonore pouvant être assuré électroniquement.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, par propagation d'une onde ultrasonore au-travers de l'os et l'étude de l'interaction de cette onde avec l'os, en vue de l'obtention d'images paramétriques selon lequel:
- on utilise au moins un transducteur focalisé émettant un faisceau ultrasonore au travers de l'os;
- on réalise un balayage dudit faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ultrasonore;
- on recueille les signaux choisis d'un groupe comprenant des signaux transmis au-travers de l'os, des signaux réfléchis par les faces de l'os, des signaux diffusés par les structures internes de l'os et n'importe quelle combinaison de ces dits signaux;
- on met en mémoire les signaux obtenus et, - on traite les signaux ainsi stockés pour des mesures choisies d'un groupe comprenant la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, la mesure de l'épaisseur de l'os, la mesure du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore, la mesure des paramètres de réflexion pour l'estimation des coefficients de rétrodiffusion et d'atténuation et n'importe quelle combinaison de ces dites mesures.

2. Procédé selon la revendication 1 pour la réalisation, en mode transmission, d'images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore caractérisé en ce qu'on met en oeuvre une paire de transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis et fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 3 MHZ.

3. Procédé selon la revendication 2 pour la réalisation, en mode transmission, d'images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore, caractérisé en ce que la fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 1 MHZ.

4. Procédé selon la revendication 1 pour la réalisation en mode échographique d'images de réflectivité, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre au moins un traducteur focalisé fonctionnant avec une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 10 MHZ.

5. Procédé selon la revendication 1 pour la réalisation en mode échographique d'images de réflectivité, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un paire de traducteurs focalisés, placés en vis-à-vis et fonctionnant avec une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 10 MHZ.

6. Procédé selon la revendication 1 appliqué à la réalisation en mode échographique d'images de réflectivité et à l'estimation du coefficient d'atténuation, de rétrodiffusion ou de ces deux coefficients en fonction de la fréquence du faisceau ultrasonore, et également en vue de la réalisation, en transmission, d'images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une paire de transducteurs placés en vis-à-vis et fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 1 MHZ et un transducteur focalisé fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz et 10 MHz.

7. Procédé selon la revendication 1 appliqué à la réalisation en mode échographique d'images de réflectivité et à l'estimation du coefficient d'atténuation, de rétrodiffusion ou de ces deux coefficients en fonction de la fréquence du faisceau ultrasonore, et également en vue de la réalisation, en transmission, d'images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une paire de transducteurs placés en vis-à-vis et fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 1 MHZ et une paire de transducteurs focalisés placés en vis-à-vis et fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz et 10 MHz.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les mesures sont effectuées par contact, à l'aide d'un milieu de couplage.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on utilise un réseau de transducteurs ultrasonores avec lesquels la focalisation et le balayage du faisceau ultrasonore peuvent être effectués électroniquement.

10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 comportant des moyens d'émission et de réception ultrasonores (12, 14) placés en vis-à-vis de part et d'autre de l'os à
analyser, un module d'acquisition incluant les moyens d'émissions d'ultrasons et de réception des signaux ultrasonores après leur interaction dans l'os, un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus et, un module de traitement desdits signaux pour l'estimation des paramètres acoustiques connus pour leur relation avec les propriétés mécaniques ou viscoélactiques de l'os caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception ultrasonores sont focalisés et en ce que le dispositif comprend des moyens permettant de réaliser un balayage du faisceau ultrasonore ainsi émis.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le module de traitement des signaux comporte un ordinateur, une mémoire de masse et un ensemble de logiciels de traitement de signaux conçus pour l'exploitation des données provenant du module d'acquisition, ce module de traitement comportant un ensemble de fonctions permettant notamment d'effectuer le calcul du coefficient d'atténuation en transmission, le calcul de l'épaisseur de l'os traversé à l'endroit de la mesure, le calcul de la vitesse de propagation, le calcul du coefficient de rétrodiffusion en réflexion et le calcul du coefficient d'atténuation en réflexion.

12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte des transducteurs focalisés (1, 14), comprenant un seul élément, placés en vis-à-vis.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé
en ce qu'il comporte une enceinte (10) remplie d'un liquide, tel que l'eau, afin de réaliser les mesures en immersion.