Mesure de non-linéarités élastiques et dissipatives par interaction d'ondes acoustiques : Application à la quantification du micro-endommagement de l'os trabéculaire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Measurement of elastic and dissipative nonlinearities using acoustic waves interaction : Application to the assessment of microdamage in trabecular bone

Mesure de non-linéarités élastiques et dissipatives par interaction d'ondes acoustiques : Application à la quantification du micro-endommagement de l'os trabéculaire

Guillaume Renaud

Résumé

Micro-cracks are normally generated in bone tissue and resorpted by permanent bone
remodeling. A high crack density could affect bone strength. But the causes and consequences
on bone strength of a microdamage accumulation are badly understood. Moreover
no technique is available for noninvasive assessment of the level of bone damage in vivo.
In that context, an acoustical method was developed for localized and non-contact measurement
of elastic and dissipative nonlinearities, based on the interaction between a lowfrequency
acoustic pump wave and ultrasound probing pulses. The ultrasound pulses are
emitted with a repetition frequency 10 times higher than the low frequency of the pump
wave. The medium is thus probed in different states of triaxial stress, successively in tension
and in compression. The ultrasound time of flight and amplitude (or energy) modulations
give access to nonlinear elasticity and dissipation, respectively. The amplitude of acoustic
nonlinearities generally increases with the level of damage in materials.
After validation in water and undamaged solids, measurements were conducted in cracked
and granular media and showed a good sensitivity of the method to the presence of cracks
and contacts between grains. Finally its application to calcaneus trabecular bone showed
that the low-porosity region can exhibit high acoustic nonlinearities. Furthermore, for mechanically
damaged samples, either in compressive fatigue or in quasi-static compression,
the amplitude of acoustic nonlinearities were well correlated with the level of damage observed
by histology.
Des micro-fissures sont générées dans le tissu osseux et résorbées par le remodelage
osseux. Une densité de fissures importante pourrait détériorer la résistance mécanique
osseuse (RMO). Cependant les causes et les conséquences sur la RMO d'une accumulation
du micro-endommagement osseux sont mal connues. De plus, aucune méthode non invasive
de quantification du niveau d'endommagement osseux existe aujourd'hui.
Dans ce contexte, une méthode de mesure acoustique, localisée et sans contact, basée
sur l'interaction non linéaire (NL) entre une onde acoustique basse-fréquence (BF) et des
impulsions ultrasonores (US) a été développée. Les impulsions US sont émises à une cadence
de tir environ 10 fois supérieure à la fréquence de l'onde BF. Le milieu est alors sondé à
différents états de contrainte tri-axiale, en compression et traction. Les variations du temps
de vol et de l'amplitude (ou de l'énergie) US rendent compte des effets NL acoustiques
respectivement élastiques et dissipatifs. Les effets NL acoustiques élastiques et dissipatifs
augmente généralement avec le niveau d'endommagement.
Après une validation dans l'eau et des solides non endommagés, des mesures dans des
matériaux fissurés et granulaires ont montré la sensibilité de la technique à la présence de
fissures et de contacts entre grains. Enfin son application à l'os trabéculaire du calcanéum a
montré que la zone de faible porosité pouvait produire de fortes non-linéarités acoustiques.
Pour des échantillons endommagés in vitro par fatigue en compression et par compression
quasi-statique, l'amplitude des non-linéarités acoustiques a montré une bonne corrélation
avec l'observation histologique du niveau d'endommagement.
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Dates et versions

tel-00360281 , version 1 (10-02-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00360281 , version 1

Citer

Guillaume Renaud. Mesure de non-linéarités élastiques et dissipatives par interaction d'ondes acoustiques : Application à la quantification du micro-endommagement de l'os trabéculaire. Acoustique [physics.class-ph]. Université François Rabelais - Tours, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00360281⟩
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