Ultrasonic characterization of the bone-implant interface
Caractérisation ultrasonore de l'interface os-implant
Résumé
While surgical interventions involving the use of endosseous implants are now routinely performed, failures still occur and may have dramatic consequences. The clinical outcome depends on osseointegration processes, which correspond to the growth of bone in intimate contact with the implant. This work focuses on the development of quantitative ultrasound (QUS) techniques for the characterization of the biomechanical properties of the bone-implant interface (BII), which are the main determinant for the success of osseointegration.First, an in vitro approach is carried out to assess the sensitivity of the QUS response of the BII to loading conditions. Trabecular bovine bone samples are compressed onto coin-shaped implants and the ultrasonic response of the BII is measured during compression. A significant decrease of the reflection coefficient of the BII as a function of the stress is obtained until a plateau is reached, corresponding to bone fracture.Second, finite element modeling and simulations are performed in order to distinguish the effects of different parameters on the ultrasonic response of the BII. In particular, the impact of the implant surface roughness is investigated at the microscopic and macroscopic scales. An analytical model of the ultrasonic propagation at the BII is also proposed. The reflection coefficient of the BII is shown to significantly decrease when (i) the BII is better osseointegrated, (ii) the roughness amplitude decreases, (iii) the central frequency of ultrasound decreases and (iv) bone mass density increases. Moreover, interference phenomena are evidenced at the macroscopic scale.Third, in silico, in vitro and in vivo studies are combined to investigate the use of QUS methods to estimate dental implant stability. Ultrasound propagation inside a dental implant is examined using laser-interferometric techniques. First arriving signal and spectral analyses evidence the propagation of a guided wave mode along the implant axis, which is confirmed by numerical simulation. An in vivo study is performed to compare the performances of QUS and of resonance frequency analysis to estimate dental implant stability in a rabbit model. The QUS results were shown to have a better sensitivity to changes of bone quantity and quality during the osseointegration processes.By coupling experimental and numerical approaches, this work provides new insights to better understand the propagation of ultrasonic waves at the BII. Moreover, it proves the performances of a future medical device that could assess dental implant stability.
Malgré le caractère routinier des interventions chirurgicales en implantologie, les risques d'échecs subsistent et peuvent être lourds de conséquences. L'issue clinique est directement liée au processus d'ostéointégration, qui correspond à la repousse osseuse au contact direct de l'implant. Ce travail porte sur le développement de techniques ultrasonores afin de caractériser les propriétés biomécaniques de l'interface os-implant (IOI), qui déterminent le succès de l'ostéointégration.Une première étude in vitro a permis d'estimer la sensibilité des ultrasons quantitatifs aux contraintes de compression générées au niveau de l'IOI. Pour cela, des échantillons d'os trabéculaire bovin ont été compressés sur des implants cylindriques et la réponse ultrasonore de l'IOI a été mesurée au cours de la compression. Une diminution significative du coefficient de réflection de l'IOI en fonction des contraintes a été obtenue jusqu'à ce qu'une contrainte seuil correspondant à la fracture de l'os soit atteinte.Dans un deuxième temps, la propagation ultrasonore à l'IOI a été modélisée et simulée d'abord numériquement puis analytiquement, ce qui a permis de distinguer l'effet de différents paramètres sur la réponse ultrasonore de l'IOI. En particulier, l'influence de la rugosité de l'implant a été étudiée à des échelles microscopique et macroscopique. Une diminution siginificative du coefficient de réflection de l'IOI a été démontrée lorsque (i) l'ostéointégration de l'IOI augmente, (ii) la rugosité de l'implant diminue, (iii) la fréquence centrale des ultrasons diminue et (iv) la masse volumique de l'os augmente. De plus, des phénomènes d'interférence ont été mis en évidence à l'échelle macroscopique.Enfin, le potentiel des ultrasons quantitatifs pour déterminer la stabilité d'implants dentaires a été évalué. La propagation ultrasonore dans un implant dentaire a été étudiée par des méthodes d'interférométrie-laser. L'analyse spectrale ainsi que du temps d'arrivée des premiers signaux a permis de démontrer la propagation d'une onde guidée le long de l'implant, ce qui a été confirmé numériquement. De plus, une étude in vivo sur lapins a permis de comparer les performances des ultrasons quantitatifs avec celles de l'analyse de la fréquence de résonance (RFA) afin d'estimer la stabilité d'implants dentaires. Une meilleure sensibilité aux changements de qualité et de quantité de l'os survenant durant l'ostéointégration a été obtenue avec les ultrasons quantitatifs.Grâce au couplage de méthodes numériques et expérimentales, ces travaux ont permis de mieux comprendre la propagation des ondes ultrasonores à l'IOI, ainsi que de valider les performances d'un dispositif médical visant à évaluer la stabilité d'implants dentaires.
Origine : Version validée par le jury (STAR)