Toward quantitative limited-angle ultrasound reflection tomography to inform abdominal HIFU treatment planning

High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a treatment modality for solid cancers of the liver and pancreas which is non-invasive and free from many of the side-effects of radiotherapy and chemotherapy. The safety and efficacy of abdominal HIFU treatment is dependent on the ability to bring the therapeutic sound waves to a small focal ”lesion” of known and controllable location within the patient anatomy. To achieve this, pre-treatment planning typically includes a numerical simulation of the therapeutic ultrasound beam, in which anatomical compartment locations are derived from computed tomography or magnetic resonance images. In such planning simulations, acoustic properties such as density and speed-of-sound are assumed for the relevant tissues which are rarely, if ever, determined specifically for the patient. These properties are known to vary between patients and disease states of tissues, and to influence the intensity and location of the HIFU lesion. The subject of this thesis is the problem of non-invasive patient-specific measurement of acoustic tissue properties. The appropriate method, also, of establishing spatial correspondence between physical ultrasound transducers and modeled (imaged) anatomy via multimodal image reg-istration is also investigated; this is of relevance both to acoustic tissue property estimation and to the guidance of HIFU delivery itself. First, the principle of a method is demonstrated with which acoustic properties can be recovered for several tissues simultaneously using reflection ultrasound, given accurate knowledge of the physical locations of tissue compartments. Second, the method is developed to allow for some inaccuracy in this knowledge commensurate with the inaccuracy typical in abdominal multimodal image registration. Third, several current multimodal image registration techniques, and two novel modifications, are compared for accuracy and robustness. In conclusion, relevant acoustic tissue properties can, in principle, be estimated using reflected ultrasound data that could be acquired using diagnostic imaging transducers in a clinical setting

Reconstruction of enhanced ultrasound images from compressed measurements

L'intérêt de l'échantillonnage compressé dans l'imagerie ultrasonore a été récemment évalué largement par plusieurs équipes de recherche. Suite aux différentes configurations d'application, il a été démontré que les données RF peuvent être reconstituées à partir d'un faible nombre de mesures et / ou en utilisant un nombre réduit d'émission d'impulsions ultrasonores. Selon le modèle de l'échantillonnage compressé, la résolution des images ultrasonores reconstruites à partir des mesures compressées dépend principalement de trois aspects: la configuration d'acquisition, c.à.d. l'incohérence de la matrice d'échantillonnage, la régularisation de l'image, c.à.d. l'a priori de parcimonie et la technique d'optimisation. Nous nous sommes concentrés principalement sur les deux derniers aspects dans cette thèse. Néanmoins, la résolution spatiale d'image RF, le contraste et le rapport signal sur bruit dépendent de la bande passante limitée du transducteur d'imagerie et du phénomène physique lié à la propagation des ondes ultrasonores. Pour surmonter ces limitations, plusieurs techniques de traitement d'image en fonction de déconvolution ont été proposées pour améliorer les images ultrasonores. Dans cette thèse, nous proposons d'abord un nouveau cadre de travail pour l'imagerie ultrasonore, nommé déconvolution compressée, pour combiner l'échantillonnage compressé et la déconvolution. Exploitant une formulation unifiée du modèle d'acquisition directe, combinant des projections aléatoires et une convolution 2D avec une réponse impulsionnelle spatialement invariante, l'avantage de ce cadre de travail est la réduction du volume de données et l'amélioration de la qualité de l'image. Une méthode d'optimisation basée sur l'algorithme des directions alternées est ensuite proposée pour inverser le modèle linéaire, en incluant deux termes de régularisation exprimant la parcimonie des images RF dans une base donnée et l'hypothèse statistique gaussienne généralisée sur les fonctions de réflectivité des tissus. Nous améliorons les résultats ensuite par la méthode basée sur l'algorithme des directions simultanées. Les deux algorithmes sont évalués sur des données simulées et des données in vivo. Avec les techniques de régularisation, une nouvelle approche basée sur la minimisation alternée est finalement développée pour estimer conjointement les fonctions de réflectivité des tissus et la réponse impulsionnelle. Une investigation préliminaire est effectuée sur des données simulées.The interest of compressive sampling in ultrasound imaging has been recently extensively evaluated by several research teams. Following the different application setups, it has been shown that the RF data may be reconstructed from a small number of measurements and/or using a reduced number of ultrasound pulse emissions. According to the model of compressive sampling, the resolution of reconstructed ultrasound images from compressed measurements mainly depends on three aspects: the acquisition setup, i.e. the incoherence of the sampling matrix, the image regularization, i.e. the sparsity prior, and the optimization technique. We mainly focused on the last two aspects in this thesis. Nevertheless, RF image spatial resolution, contrast and signal to noise ratio are affected by the limited bandwidth of the imaging transducer and the physical phenomenon related to Ultrasound wave propagation. To overcome these limitations, several deconvolution-based image processing techniques have been proposed to enhance the ultrasound images. In this thesis, we first propose a novel framework for Ultrasound imaging, named compressive deconvolution, to combine the compressive sampling and deconvolution. Exploiting an unified formulation of the direct acquisition model, combining random projections and 2D convolution with a spatially invariant point spread function, the benefit of this framework is the joint data volume reduction and image quality improvement. An optimization method based on the Alternating Direction Method of Multipliers is then proposed to invert the linear model, including two regularization terms expressing the sparsity of the RF images in a given basis and the generalized Gaussian statistical assumption on tissue reflectivity functions. It is improved afterwards by the method based on the Simultaneous Direction Method of Multipliers. Both algorithms are evaluated on simulated and in vivo data. With regularization techniques, a novel approach based on Alternating Minimization is finally developed to jointly estimate the tissue reflectivity function and the point spread function. A preliminary investigation is made on simulated data

Fundamental and Harmonic Ultrasound Image Joint Restoration

L'imagerie ultrasonore conserve sa place parmi les principales modalités d'imagerie en raison de ses capacités à révéler l'anatomie et à inspecter le mouvement des organes et le flux sanguin en temps réel, d'un manière non invasive et non ionisante, avec un faible coût, une facilité d'utilisation et une grande vitesse de reconstruction des images. Néanmoins, l'imagerie ultrasonore présente des limites intrinsèques en termes de résolution spatiale. L'amélioration de la résolution spatiale des images ultrasonores est un défi actuel et de nombreux travaux ont longtemps porté sur l'optimisation du dispositif d'acquisition. L'imagerie ultrasonore à haute résolution atteint cet objectif grâce à l'utilisation de sondes spécialisées, mais se confronte aujourd'hui à des limites physiques et technologiques. L'imagerie harmonique est la solution intuitive des spécialistes pour augmenter la résolution lors de l'acquisition. Cependant, elle souffre d'une atténuation en profondeur. Une solution alternative pour améliorer la résolution est de développer des techniques de post-traitement comme la restauration d'images ultrasonores. L'objectif de cette thèse est d'étudier la non-linéarité des échos ultrasonores dans le processus de restauration et de présenter l'intérêt d'incorporer des images US harmoniques dans ce processus. Par conséquent, nous présentons une nouvelle méthode de restauration d'images US qui utilise les composantes fondamentales et harmoniques de l'image observée. La plupart des méthodes existantes sont basées sur un modèle linéaire de formation d'image. Sous l'approximation de Born du premier ordre, l'image RF est supposée être une convolution 2D entre la fonction de réflectivité et la réponse impulsionelle du système. Par conséquent, un problème inverse résultant est formé et résolu en utilisant un algorithme de type ADMM. Plus précisément, nous proposons de récupérer la fonction de reflectivité inconnue en minimisant une fonction composée de deux termes de fidélité des données correspondant aux composantes linéaires (fondamentale) et non linéaires (première harmonique) de l'image observée, et d'un terme de régularisation basé sur la parcimonie afin de stabiliser la solution. Pour tenir compte de l'atténuation en profondeur des images harmoniques, un terme d'atténuation dans le modèle direct de l'image harmonique est proposé sur la base d'une analyse spectrale effectuée sur les signaux RF observés. La méthode proposée a d'abord été appliquée en deux étapes, en estimant d'abord la réponse impulsionelle, suivi par la fonction de réflectivité. Dans un deuxième temps, une solution pour estimer simultanément le réponse impulsionelle et la fonction de réflectivité est proposée, et une autre solution pour prendre en compte la variabilité spatiale du la réponse impulsionelle est présentée. L'intérêt de la méthode proposée est démontré par des résultats synthétiques et in vivo et comparé aux méthodes de restauration conventionnelles

DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY: AN ADVANCED MULTISTAGE INVERSE METHOD AND AN OPTIMIZATION METHOD OF SOURCE AND DETECTOR ARRANGEMENTS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Méthode acoustique basée sur l'agrégation érythrocytaire pour le suivi non invasif de l’inflammation

Tout patient subissant une chirurgie majeure est à risque de développer un syndrome systémique d’inflammation. Lorsque l’inflammation disproportionnée se produit, le sang devient très visqueux et le transfert d'oxygène aux tissus est affaibli. Cette situation peut causer la défaillance d'organes et ultimement la mort du patient. Il est important donc d’évaluer et surveiller rapidement la réponse inflammatoire du patient pour guider son traitement et éviter la dégradation de sa condition. Actuellement, la détection de l’inflammation repose sur la surveillance de signes vitaux, tels quels la température corporelle et le rythme de la respiration, ou bien sur l’estimation de marqueurs sanguins d’inflammation. La première méthode a le désavantage de manquer grandement de spécificité. Contrairement, les marqueurs sanguins sont des mesures directes et quantitatives de l’état inflammatoire du patient, mais impliquent un échantillonnage du sang et un délai de traitement d’au moins une heure. Ceci se fait au détriment de l’évaluation continue de l’inflammation et peut retarder le diagnostic et le traitement adéquat qui y est associé, spécialement dans les cas des soins périopératoires. Cette thèse présente un ensemble de travaux visant à la détection et à la surveillance non invasive de l’inflammation en analysant le signal ultrasonore rétrodiffusé par le sang. La motivation de la méthodologie proposée est de surveiller continuellement la réponse inflammatoire du patient et de réduire le délai de traitement. Le principe général utilisé dans la méthode exploite la réaction collective des globules rouges à la présence de protéines inflammatoires de phase aiguë, notamment le fibrinogène. En effet, la concentration de ces macromolécules se corrèle positivement avec la force d’attraction intercellulaire. Ainsi, sous conditions de faible écoulement, le niveau d’agrégation érythrocytaire sert de marqueur indirect de l’état inflammatoire du patient. Bien que les agrégats érythrocytaires soient de taille insuffisante pour être observés dans une image échographique, ils laissent une signature spectrale identifiable lors de l’analyse du signal rétrodiffusé du sang. En ajustant son spectre à des modèles physiques ou mathématiques de diffusion acoustique, il est possible de remonter à paramètres quantitatifs d’intérêt clinique, tels que la taille ou l’organisation spatiale de l’agrégat. Ce type d’analyse est encadré dans le domaine des ultrasons quantitatifs qui cherche la caractérisation de tissus à partir de ses signatures spectrales communément dénommées les coefficients de rétrodiffusion. Le premier objectif de cette thèse est d’évaluer d’un point de vue clinique l’interprétation des paramètres obtenus à partir du signal ultrasonore du sang. Cinq modèles mathématiques de rétrodiffusion acoustique, incluant des versions classiques et récentes, ont été évalués. On observe en expériences ex vivo et en une étude préclinique que lorsque l’agrégation érythrocyte augmente, notamment par un processus inflammatoire, certains paramètres offrent un excellent contraste et permettent son évaluation. On conclut que les modèles « Estimateur de taille et du facteur de structure », « Théorie du milieu effectif combinée au facteur de structure » et l’approximation « gaussienne » permettent la caractérisation de plusieurs niveaux d’agrégation érythrocytaire et sont de bons candidats pour l’évaluation de la réaction inflammatoire en clinique. Des travaux pionniers pour la mesure de l’inflammation requéraient que l’acquisition ultrasonore se fasse de façon invasive. Ce fait joue contre l’intérêt général de la technique et rend son utilisation impossible en salle de soins intensifs. Alors, un deuxième objectif de cette thèse est de proposer un protocole de mesure de l’agrégation érythrocytaire non invasif. Les solutions analysées se centrent en la compensation des facteurs confondants intrinsèques à la mesure in vivo, notamment l’écoulement sanguin. On observe que l’arrêt du flux sanguin rend la technique sensible aux conditions d’écoulement précédentes et joue contre sa répétabilité. Contrairement, on constate en expériences ex vivo que l’utilisation d’un écoulement sanguin à faible débit produit des mesures répétables et permet de distinguer entre l'étendue normale et élevée de l'agrégation d’érythrocytes. Des validations sur une cohorte de onze volontaires montrent que le protocole à faible débit offre aussi une bonne répétabilité in vivo et se corrèle significativement avec les tests de laboratoire ex vivo d’agrégation érythrocytaire. Enfin, en visant le transfert de technologie vers la clinique, le troisième objectif de cette thèse est d’évaluer la reproductibilité de résultats en utilisant des méthodes d’imagerie ultrarapide et des échographes cliniques. En effet, les travaux précédents sur la caractérisation de l’agrégation érythrocytaire sont faits avec des transducteurs d’un seul élément piézo-électrique, typiquement utilisés en recherche fondamentale. Cependant, les transducteurs utilisés en clinique sont équipés avec plus d’une centaine de ces éléments. Cette configuration permet la formation de faisceaux ultrasonores focalisés et des techniques d’imagerie ultrarapide. Nos validations ex vivo démontrent que l’utilisation des machines cliniques multiélément est tout à fait viable pour la caractérisation de l’agrégation érythrocytaire et que les résultats obtenus avec elles sont comparables à ceux des machines de recherche.Any patient undergoing major surgery is at risk of developing a systemic inflammatory syndrome. When disproportionate inflammation occurs, the blood becomes very viscous and the transfer of oxygen to the tissues is weakened. This often causes organ failure and ultimately death. Nevertheless, inflammation is less harmful if detected and treated early. Currently, detection of inflammation is based on the monitoring of vital signs, such as body temperature and respiration rate, or on the estimation of blood markers of inflammation. The first method has the disadvantage of lacking specificity. Blood markers, on the other hand, are direct and quantitative measurements of the patient's inflammatory state but involve blood sampling and processing delays that prevent continuous monitoring of the patient. These difficulties the automation of the evaluation of inflammation and can delay the diagnosis and the associated treatment, especially in the cases of perioperative cares. This thesis presents a set of works aimed at the noninvasive detection and monitoring of inflammation by analyzing the ultrasound signal backscattered by blood. The motivation of the proposed methodology is to continuously monitor the patient's inflammatory response and reduce the time before treatment. The general principle used in the method exploits the collective reaction of red blood cells to the presence of acute phase inflammatory proteins, in particular fibrinogen. Indeed, the concentration of these macromolecules correlates positively with the force of intercellular attraction. Thus, under low flow conditions, the level of erythrocyte aggregation serves as a surrogate marker of the patient's inflammatory state. Although the erythrocyte aggregates are not large enough to be observed in an ultrasound image, they leave a spectral signature on the backscattered blood signal. By fitting the blood spectrum to physical or mathematical models of acoustic diffusion, it is possible to obtain quantitative parameters of clinical interest, such as the size or spatial organization of the aggregate. This type of analysis belongs to the field of quantitative ultrasound which seeks the characterization of tissues from its spectral signatures commonly referred to as the backscattering coefficient. The first objective of this thesis is to evaluate from a clinical point of view the interpretation of the parameters obtained from the ultrasound signal of the blood. Five mathematical models of acoustic backscattering, including both classical and recent versions, were evaluated. In ex vivo experiments and in a preclinical study, we observed that when the erythrocyte aggregation increases, in particular by an inflammatory process, certain parameters offer an excellent contrast and allow its classification. It is concluded that the "structure factor and size estimator", "effective medium theory considering a structure factor" and the "Gaussian" models allow the characterization of several levels of erythrocyte aggregation and are good candidates for the evaluation of the inflammatory reaction in clinics. Pioneer works on the measurement of inflammation required that ultrasound acquisition would be done in an invasive fashion. This fact plays against the general interest of the technique and makes its use impossible in the intensive care room. A second objective of this thesis is thus to propose a protocol for the non-invasive measuring of erythrocyte aggregation. The analyzed solutions concentrate on the compensation of the confounding factors intrinsic to the in vivo measurement, in particular the blood flow. It was observed that the cessation of blood flow rendered the technique sensitive to the previous flow conditions and played against its repeatability. Conversely, ex vivo experiments showed that maintaining a low-flow provided repeatable measures and could distinguish between normal and high extents of erythrocyte aggregation. Validations on a cohort of eleven volunteers showed that the low-flow protocol also offers good in vivo repeatability and correlates significantly with ex vivo laboratory tests of erythrocyte aggregation. Finally, by aiming at the transfer of technology to clinics, the third objective of this thesis was to evaluate the reproducibility of results using ultrafast imaging methods and clinical ultrasound machines. Indeed, previous works on the characterization of erythrocyte aggregation were done with single element transducers, typically used in fundamental research. However, the transducers used in the clinics are equipped with more than a hundred of piezoelectric elements. This configuration allows the formation of focused ultrasound beams as well as ultrafast imaging techniques. Our ex vivo validations demonstrated that the use of these new technologies is quite possible for the characterization of erythrocyte aggregation and leads to results comparable to those of previous technologies