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    Exploitation de la phase en imagerie acoustique audible et ultrasonore

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    L’imagerie à partir d’ondes acoustiques permet de répondre à plusieurs besoins. D’une part, les ondes ultrasonores sont utilisées pour effectuer des échographies dans le domaine médical, mais aussi pour inspecter et suivre la santé de structures. D’autre part, en utilisant les ondes sonores, il est possible de localiser, caractériser, et évaluer l’intensité de diverses sources de bruits. Étant alimentées par des applications et visées différentes, les techniques d’imagerie proposées et utilisées dans les dernières décennies pour ces deux domaines se distinguent. Étant donné les bases communes à l’imagerie sonore et ultrasonore, il serait pertinent de faire bénéficier chaque domaine des avancées en traitement de signal de l’autre domaine. Ce projet de thèse suggère donc une revue des techniques d’imagerie des deux domaines d’imagerie afin d’identifier les outils et techniques d’imagerie prometteuses à adapter et tester sur l’autre domaine d’imagerie. Afin de tester et valider différentes approches d’imagerie, deux types de sources étendues ont été considérées dans le domaine de l’audible. Numériquement, des pistons et plaques simplement supportées bafflées ont été considérés. Pour la validation expérimentale, les cartographies obtenues à l’aide de différents algorithmes ont été comparées avec une mesure de référence obtenue par déflectométrie optique. Dans le domaine ultrasonore, un appareil de calibration (phantom CIRS Model 040GSE) a permis de comparer les résolutions et contrastes obtenus à l’aide de différents algorithmes. Il est montré que l’utilisation de la cohérence de phase dans le domaine de l’audible aide à la reconstruction de sources étendues. En effet, les formulations proposées sont basées sur une réduction du domaine d’imagerie à partir de la cohérence de phase. Cette réduction aide au conditionnement du problème et se traduit par une solution moins sensible au bruit. Aussi, contrairement aux techniques de formation de voies dans le domaine temporel, les algorithmes proposés permettent de reconstruire l’amplitude du champ vibratoire transitoire (vitesse/accélération normale) de sources étendues cohérentes. De plus, les cartographies obtenues présentent moins d’artefacts d’imagerie que les techniques de référence. En imagerie médicale par ultrasons, les résultats montrent que lorsque couplé avec une nouvelle métrique de cohérence de phase, l’algorithme Excitelet développé dans le formalisme de la Generalized Cross Correlation (répandue en imagerie acoustique) résulte en de meilleures résolutions et contrastes que l’algorithme de référence. Par ailleurs, l’utilisation de la métrique de cohérence de phase et du filtre fréquentiel proposé résulte en une diminution des artefacts d’imagerie. Enfin, étant flexible et grandement parallélisable, le formalisme d’imagerie proposé s’avère utile pour le suivi d’outils médicaux en anesthésie régionale guidée par ultrasons.Abstract : Imaging using acoustical waves can meet several needs. On the one hand, ultrasonic waves are used to perform ultrasound scans in the medical field, but also to inspect and monitor the health of structures. On the other hand, by using sound waves, it is possible to locate, characterize, and evaluate the intensity of various noise sources. Being driven by different applications and aims, the imaging techniques proposed and used in the last decades for these two fields differ. Given the common bases of sound and ultrasound imaging, it would be relevantto make each field benefit from the signal processing advances of the other field. This thesis project therefore suggests to firstly review the imaging techniques of the two imaging domains in order to identify promising imaging tools and techniques, and secondly adapt and use those concepts for the other imaging field. In order to test and validate different imaging approaches, two types of extended sources were considered in the audible domain. Numerically, baffled simply supported plates and pistons were considered. Experimentally, the maps obtained using different algorithms were compared with reference measurements obtained by optical deflectometry. In the ultrasonic field, a phantom (CIRS Model 040GSE) was used to compare the resolutions and contrasts obtained using different algorithms. It is shown that the use of phase coherence in acoustic imaging helps for the reconstruction of extended sources. Indeed, the proposed formulations are based on a reduction of the imaging domain using phase coherence. This reduction improves the conditioning of the problem and results in a less sensitive to noise solution. Also, contrary to delay and sum techniques, the proposed algorithm allows the reconstruction of the amplitude of the transient vibration field (normal acceleration) of the structure under consideration. In addition, the resulting images present fewer artifacts than the reference techniques. In medical ultrasound imaging, the results show that when coupled with a new phase coherence metric, the Excitelet algorithm developed in the formalism of Generalized Cross Correlation (widely used in acoustic imaging) results in better resolutions and contrasts than the reference algorithm. In addition, the use of the proposed phase coherence metrics and frequency filter results in a reduction of imaging artifacts. Finally, being flexible and highly parallelizable, the proposed imaging formalism shows potential for the monitoring of medical tools in ultrasound-guided regional anesthesia

    Formation de voies avec renforcement des Ă©chos forts en imagerie ultrasonore

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    En imagerie ultrasonore, la formation de voies influence considérablement la qualité des images. Classiquement, l’approche par retard et somme est utilisée essentiellement pour sa rapidité. Cependant, la qualité des images peut être largement améliorée avec des méthodes adaptatives comme celles inspirées du filtre de Capon. Nous proposons dans cet article d’améliorer davantage le contraste des images en nous basant sur un modèle parcimonieux des échos forts. Les résultats de simulations réalistes et expérimentaux présentés dans cet article montrent le potentiel de notre approche

    Prosper: image and robot-guided prostate brachytherapy

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    Brachytherapy for localized prostate cancer consists in destroying cancer by introducing iodine radioactive seeds into the gland through hollow needles. The planning of the position of the seeds and their introduction into the prostate is based on intra-operative ultrasound (US) imaging. We propose to optimize the global quality of the procedure by: i) using 3D US; ii) enhancing US data with MRI registration; iii) using a specially designed needle-insertion robot, connected to the imaging data. The imaging methods have been successfully tested on patient data while the robot accuracy has been evaluated on a realistic deformable phantom

    Amélioration de la résolution des images ultrasonores en mode B par déconvolution semi-aveugle

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    National audienceEn imagerie médicale, et plus précisément dans le domaine de l'imagerie ultrasonore, les problématiques liées à l'amélioration de la résolution font aujourd'hui l'objet de très nombreux travaux. Alors que beaucoup d'approches se consacrent à l'amélioration du dispositif d'acquisition des images échographiques (pré-traitement) pour pallier leur faible résolution, très peu de travaux se sont attachés à des techniques de post-traitement. Nous proposons ici une nouvelle approche pour la restauration d'image basée sur une formulation de type déconvolution semi-aveugle, résolue dans le cadre algorithmique de la méthode des directions alternées. Les performances de notre algorithme sont évaluées à l'aide de données synthétiques (fantôme de Shepp-Logan) et d'une image ultrasonore in vivo en mode B, sur la base de plusieurs critères quantitatifs. Dans le cas où la réponse impulsionnelle spatiale du système est mal connue, les résultats démontrent une robustesse accrue par rapport à une méthode de déconvolution classique (non aveugle)

    Les techniciens en radiologie ont-ils leur place en Ă©chographie ?: travail de Bachelor

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    OBJECTIF La lecture d’un article exposant la mise en place récente en France d’une formation post-grade en ultrason pour les manipulateurs fut l’élément déclencheur de notre travail de Bachelor. Le but de notre mémoire est d’appréhender les aspects négatifs et positifs d’une délégation des tâches échographiques entre radiologues et TRM, en s’appuyant sur la situation en Suisse romande où cette technique d’imagerie reste encore à l’écart de la formation officielle des TRM. METHODOLOGIE Nous avons choisi de récolter des informations qualitatives par le biais d’entretiens semi-directifs qui se sont portés sur les corps de métiers au centre de notre problématique, c’est-à-dire des médecins, des TRM, une étudiante TRM et des professeurs de la Haute Ecole de Santé de Genève. Par ce fait, chaque guide d’entretien a été précisément élaboré en fonction de la position professionnelle de l’interviewé et de son rôle joué en échographie. RESULTATS Une formation interne bien organisée qui permet aux techniciens en radiologie de se former en échographie, existe au CHUV. Depuis environ 50 ans, ce système repose sur une collaboration entre les techniciens, qui acquièrent les images échographiques, et les médecins radiologues, qui complètent si nécessaire les images par des prises supplémentaires et qui dictent les rapports. Aux HUG, ce sont principalement des médecins qui pratiquent les échographies. Certaines infirmières, sages-femmes ou assistantes médicales réalisent également des ultrasons. Il n’y a cependant aujourd’hui aucune délégation de tâches entre radiologues et TRM dans cette modalité. En ce qui concerne le privé, le TRM ne pouvant pratiquer qu’à titre dépendant selon la loi, le médecin radiologue a l’entier pouvoir de lui déléguer ou non cette tâche. Nous avons donc cherché à connaître les motivations que pourrait avoir un centre privé à former des techniciens. CONCLUSION Pour le moment, le CHUV ne voit pas l’intérêt de certifier sa formation en échographie. A Genève, il n’y a pas de réelle ouverture quant à la mise en place d’un partenariat entre la Haute Ecole de Santé et les HUG pour une formation des techniciens comme elle se fait au CHUV. La Suisse possède donc aujourd’hui une formation cantonale lausannoise qui n’est pas encore prête à se généraliser sur l’ensemble du territoire de Suisse romande. Le fédéralisme de notre pays persiste. Mais au vu des changements français récents, peut-être pourrions-nous espérer que l’expérience de ces derniers sera favorable et qu’elle motivera la Suisse à également sauter le pas. Il ne reste plus qu’à attendre et à observer

    Commande optimale appliquée aux systèmes d'imagerie ultrasonore

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    Les systèmes d imagerie médicale ultrasonore ont considérablement amélioré le diagnostic clinique par une meilleure qualité des images grâce à des systèmes plus sensibles et des post-traitements. La communauté scientifique de l imagerie ultrasonore a consenti à un très grand effort de recherche sur les posttraitements et sur le codage de l excitation sans s intéresser, outre mesure, aux méthodes de commandeoptimale. Ce travail s est donc légitimement tourné vers les méthodes optimales basées sur l utilisationd une rétroaction de la sortie sur l entrée. Pour rendre applicable ces méthodes, ce problème complexe decommande optimale a été transformé en un problème d optimisation paramétrique sous-optimal et plussimple. Nous avons appliqué ce principe au domaine de l imagerie ultrasonore : l échographie, l imagerieharmonique native et l imagerie harmonique de contraste avec ou sans codage de la commande.La simplicité de l approche nous a permis, par une modification de la fonction de coût, de l adapter àl imagerie harmonique. Cette adaptation montre que la méthode peut être appliquée à l imagerie ultrasonoreen générale.Medical ultrasound imaging systems have greatly improved the clinical diagnosis by improvingthe image quality thanks to more sensitive systems and post-processings. The scientific community has madea great effort of research on post-processing and on encoding the excitation. The methods of the optimalcontrol have been neglected. Our work has focused on the optimal methods based on the feedback fromoutput to input. We have transformed the complex problem of optimal control into an easier suboptimalparametric problem. We apply the principle of optimal control to the ultrasound imaging, the ultrasoundharmonic imaging and to the constrast harmonic imaging with or without encoding.The simplicity of the method has allowed us to adapt it to harmonic imaging by a change in the costfunction. This adaptation shows that our method can usually be applied to the ultrasound imaging.TOURS-Bibl.électronique (372610011) / SudocSudocFranceF

    Échantillonnage spatiotemporel parcimonieux pour l’angiographie de localisation ultrasonore compressée du cerveau à faible coût

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    Au cours de la dernière décennie, la microscopie de localisation ultrasonore (ULM) a permis d’imager le système vasculaire cérébral in vivo comme jamais auparavant, avec une résolution d’environ dix microns. Cependant, avec une cadence d’imagerie pouvant atteindre 20.000 images par seconde, cette méthode nécessite l’acquisition, la transmission, le stockage et le traitement d’une grande quantité de données. Chacune de ces étapes peut devenir difficile sans les ordinateurs et échographes adaptés à cette application. Nous proposons ici une nouvelle méthode de reconstruction, baptisée Sparse-ULM, pour diminuer cette quantité de données et la complexité du matériel nécessaire, en sous-échantillonnant de manière aléatoire les canaux d’une sonde linéaire. L’évaluation des performances de la méthode ainsi que l’optimisation des paramètres ont été principalement réalisées in silico dans un fantôme anatomiquement réaliste, puis comparées aux acquisitions sur un cerveau de rat avec craniotomie. La réduction du nombre d’éléments actifs en réception détériore le rapport signal à bruit des données post reconstruction et peut conduire à de fausses détections de microbulles, diminuant le contraste des angiogrammes obtenus. Cependant, cela n’impacte que faiblement la précision de localisation des microbulles. Ces résultats montrent qu’il est possible de trouver un compromis entre le nombre de canaux et la qualité du réseau vasculaire reconstruit, et démontrent la faisabilité de réaliser la microscopie de localisation avec un nombre de canaux en réception considérablement réduit, ouvrant la voie à des dispositifs peu coûteux permettant une cartographie vasculaire à haute résolution.----------ABSTRACT Over the past decade, Ultrasound Localisation Microscopy (ULM) has made it possible to image cerebral vasculature in vivo as never before, with a resolution of about ten microns. However, with frame rate up to 20.000 frames per second, this method requires large amount of data to be acquired, transmitted, stored, and processed. Each of these steps can become challenging without computers or ultrasound scanners provided for this application. Herein, we propose a novel reconstruction framework, named Sparse-ULM for decrease this quantity of data and the complexity of the required hardware by randomly sub-sampling the channels of a linear probe. Method’s performance evaluation as well as parameters optimization were mainly performed in silico in an anatomically realistic phantom and then compared to the acquisitions on a rat brain with craniotomy. Reducing the number of active elements deteriorates the signal-to-noise ratio of post-beamforming data, and could lead to false microbubbles detections, decreasing the contrast of the angiograms obtained. However, it has little effect on localization accuracy of microbubbles. These results show that a compromise can be found between the number of channels and the quality of the reconstructed vascular network, and demonstrate feasibility of performing ULM with a drastically reduced number of channels in receive, paving the way for low-cost devices enabling high-resolution vascular mapping

    Estimation du mouvement de la paroi carotidienne en imagerie ultrasonore par une approche de marquage ultrasonore

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    This work focuses on the processing of biomedical images. The aim of our study is to estimate the mechanical properties of the carotid artery in vivo using ultrasound imaging, in order to detect cardiovascular diseases at an early stage. Over the last decade, researchers have shown interest in studying artery wall motion, especially the motion of the carotid intima-media complex in order to demonstrate its significance as a marker of Atherosclerosis. However, despite recent progress, motion estimation of the carotid wall is still difficult, particularly in the longitudinal direction (direction parallel to the probe). The development of an innovative method for studying the movement of the carotid artery wall is the main motivation of this thesis. The three main contributions proposed in this work are i) the development, the validation, and the clinical evaluation of a novel method for 2D motion estimation of the carotid wall, ii) the development, the simulation and the experimental validation of the 3D extension of the estimation method proposed, and iii) the experimental evaluation of the 2D proposed method in ultra-fast imaging, for the estimation of the local pulse wave velocity. We propose a motion estimation method combining tagging of the ultrasound images, and a motion estimator based on the phase of the ultrasound images. The ultrasonic tagging is produced by means of transverse oscillations. We present two different approaches to introduce these transverses oscillations, a classic approach using a specific apodization function and a new approach based on filtering. The proposed motion estimator uses the 2D analytical phase of RF images using the Hahn approach. This thesis work shows that, compared with conventional methods, the proposed approach provides more accurate motion estimation in the longitudinal direction, and more generally in directions perpendicular to the beam axis. Also, the experimental evaluation of our method on ultra-fast images sequences from carotid phantom was used to validate our method regarding the estimation of the pulse wave velocity, the Young’s modulus of the vessels wall, and the propagation of a longitudinal movement.Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d’images biomédicales. L’objectif de notre étude est l’estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l’artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce des pathologies cardiovasculaires. L’étude des comportements dynamiques de l’artère pour le dépistage précoce de l’athérosclérose constitue à ce jour une piste privilégiée. Cependant, malgré les avancées récentes, l’estimation du mouvement de la paroi carotidienne reste toujours difficile, notamment dans la direction longitudinale (direction parallèle au vaisseau). L’élaboration d’une méthode innovante permettant d’étudier le mouvement de la paroi carotidienne constitue la principale motivation de ce travail de thèse. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement, la validation, et l’évaluation clinique d’une méthode originale d’estimation de mouvement 2D adaptée au mouvement de la paroi carotidienne, ii) la validation en simulation, et expérimentale de l’extension à la 3D de la méthode d’estimation proposée, et iii) l’évaluation expérimentale de la méthode proposée, en imagerie ultrasonore ultra-rapide, dans le cadre de l’estimation locale de la vitesse de l’onde de pouls. Nous proposons une méthode d’estimation de mouvement combinant un marquage ultrasonore dans la direction latérale, et un estimateur de mouvement basé sur la phase des images ultrasonores. Le marquage ultrasonore est réalisé par l’intermédiaire d’oscillations transverses. Nous proposons deux approches différentes pour introduire ces oscillations transverses, une approche classique utilisant une fonction de pondération spécifique, et une approche originale par filtrage permettant de contrôler de manière optimale leurs formations. L’estimateur de mouvement proposé utilise les phases analytiques des images radiofréquences, extraites par l’approche de Hahn. Ce travail de thèse montre que la méthode proposée permet une estimation de mouvement plus précise dans la direction longitudinale, et plus généralement dans les directions perpendiculaires au faisceau ultrasonore, que celle obtenue avec d’autres méthodes plus traditionnelles. De plus, l’évaluation expérimentale de la méthode sur des séquences d’images ultrasonores ultra-rapides issues de fantômes de carotide, a permis l’estimation locale de la vitesse de propagation de l’onde de pouls, la mise en évidence de la propagation d’un mouvement longitudinal et enfin l’estimation du module de Young des vaisseaux

    Imagerie dans le cathétérisme des cardiopathies congénitales : place de l’échocardiographie 3D transthoracique

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    RésuméL’échocardiographie 3D transthoracique a longtemps été freinée dans son développement en raison de conditions techniques d’acquisition compliquées et de qualité d’images médiocres. L’avènement des sondes matricielles permet au 3D en devenant temps réel d’entrer dans la pratique clinique courante. Si la voie œsophagienne a permis au 3D de trouver ses lettres de noblesses par ses descriptions anatomiques uniques des valves et des septa, l’échocardiographie transthoracique peut désormais se décliner en modes 2D, Doppler et 3D. Ses applications dans la cardiologie congénitale et pédiatrique sont multiples : description anatomique précise des défauts septaux auriculaires et ventriculaires, classification des bicuspidies aortiques et analyse du mécanisme de sténose. Ainsi, l’échocardiographie 3D permet-elle de sélectionner de façon non invasive les patients, de guider et de juger du résultat d’un cathétérisme interventionnel. L’imagerie 3D est un excellent moyen de communication entre l’imageur et le cardiologue interventionnel mais aussi de délivrer des informations claires au patient et à la famille avant et après un cathétérisme.SummaryThree-dimensional echocardiography has improved dramatically due to technical advances in probe design and computer processing. The introduction of real time 3D echocardiography has led to its use in everyday clinical practice. Congenital heart disease demands a detailed understanding of the spatial relationships of cardiac structures to plan treatment. The introduction of new transthoracic 3D probes has extended the applications to real-time guidance of catheter procedures. Prominent among the cardiac lesions which have been studied are: atrial septal defects, ventricular septal defects and stenotic bicuspid aortic valves. Its values should be decisive in many congenital cardiac lesions requiring interventional catheterisation. 3D echocardiography is an easy way to communicate to the patient and its family about the pathology
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