Vers un diagnostic quantitatif de la dégénérescence discale à l'aide de l'imagerie photoacoustique : design de fantômes multiphysiques et caractérisation expérimentale

Cette thèse s’ancre dans la problématique clinique de la dégénérescence discale, un problème de santé publique majeur, qui peut se résumer par une progressive dessiccation des disques intervertébraux (DIV) sur plusieurs années. Cette dégénérescence peut, à terme, devenir pathologique avec l’apparition de douleurs aigües (hernies...) ou chroniques (lombalgies...). Les standards de traitements actuels reposent principalement sur un diagnostic par imagerie par résonance magnétique et un classement en trois stades. Néanmoins, cette approche qualitative est souvent mise à mal et une certaine décorrélation avec la douleur perçue par le patient a été notée. Ainsi, nous nous proposons d’investiguer une potentielle utilisation de l’imagerie photoacoustique (PA) pour aller vers un diagnostic quantitatif de la dégénérescence discale.Dans un premier temps, une série de brèves études numériques sur un modèle multiphysique de DIV porcin implémenté sur COMSOL Multiphysics et préalablement validé a été menée dans le but de quantifier dans quelles mesures le signal PA est sensible aux changements induits par la dégénérescence discale. L’approximation de la diffusion de l’équation de transfert radiatif est implémentée sur le modèle COMSOL et la propagation acoustique est résolue par la Toolbox MATLAB kWave. Suite à ces résultats numériques prometteurs, une étude expérimentale plus conséquente consistant en la création de fantômes expérimentaux de DIV a été conduite. Un jeu de données de référence a été établi en croisant des données de la littérature avec une caractérisation expérimentale des propriétés de 6 DIV porcins. Puis un ensemble de fantômes composés d’agarose purifiée et de dioxyde de titane (TiO2) a été élaboré et intégralement caractérisé. Les coefficients d’absorption (μa) et de diffusion réduit (μs' ), la vitesse du son (cs ), l’atténuation acoustique (α), la densité (ρ) et la chaleur spécifique massique (cp) ont été expérimentalement mesurés pour des concentrations d’agarose et de TiO2 allant jusqu’à 4% m/m et 1 mg/mL. Pour chaque paramètre, un modèle de comportement en fonction de la longueur d’onde et des concentrations est proposé afin de créer des fantômes de tissus biologiques avec des propriétés à la fois précises et variées. Enfin, les comparaisons des signaux PA mesurés sur des DIV porcins et l’un de nos fantômes démontrent la capacité de notre matériau à imiter avec précision un DIV sain. Les résultats de cette thèse confirment donc de récents travaux numériques concernant le potentiel de l’imagerie photoacoustique pour la quantification des chromophores du DIV.