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Application of shear wave propagation to elasticity imaging of biological tissues
Dynamic elastography using ultrasound radiation force is an imaging technique of biological tissues elastic properties. In
a mechanical point of view, biological tissues are supposed isotropic, so their properties are independent of the
reference axis. In these mediums, the tensor of elastic constants can be expressed as a function of two independent
constants : the elastic bulk modulus K (which is linked to the compression wave propagation ) and the elastic shear modulus μ (which is linked to the shear wave propagation). The development of some cancers can result in weak
variations of the bulk elastic modulus, but can considerably modify the shear elastic modulus. Measurement of m can
then help for the diagnosis of this type of tissue pathology. A judicious mean to measure this parameter is the use of a
non-linear effect called ultrasound radiation force. This force is proportional to the attenuation and the intensity of the
ultrasound beam emitted by the imaging system. This stress source essentially generates a shear wave that propagates
with a velocity proportional to the shear modulus and with a purely transverse polarisation in the far-field (far from the
stress source ). Measurement of the medium displacements induced by shear wave propagation can allow to calculate
the shear modulus of the medium (inverse problem resolution). We performed these measurements from the
radio-frequency (RF) lines obtained with an imaging ultrasound transducer. This work describes precisely the signal
processing realized on the RF lines. This processing is based on the use of a delay estimation method to measure
temporal delays between RF lines during the shear wave propagation. Influence of different parameters (length of the
analyse window, Signal to Noise Ratio of RF lines, sampling frequency, ultrasound transducer characteristics...) on the
measurement precision has been studied. We present displacement curves as a function of time obtained after
optimisation of processing parameters. Experimental results have been favourably compared to a physical model and
allowed us to calculate the shear modulus of the medium.L'élastographie dynamique par force de radiation ultrasonore est une technique d'imagerie des propriétés
élastiques des tissus biologiques. D'un point de vue mécanique, nous supposons que ces milieux sont
isotropes c'est-à-dire que leurs propriétés sont indépendantes du choix des axes de référence. Le tenseur
élastique qui définit les constantes physiques de ce milieu s'exprime en fonction de deux constantes
indépendantes, le module d'élasticité volumique K (qui intervient lors de la propagation des ondes de
compression), et le module d'élasticité de cisaillement μ (qui intervient lors de la propagation des ondes de
cisaillement). L'apparition de certains type de cancers entraîne de faibles variations du module d'élasticité
volumique K, mais peut modifier considérablement le module d'élasticité de cisaillement μ. La mesure de ce
paramètre μ peut ainsi aider au diagnostic de ce type de pathologie des tissus. Un moyen judicieux de mesurer
ce paramètre est d'utiliser un effet non linéaire de force de radiation ultrasonore. Cette force est
proportionnelle à l'atténuation et à l'intensité des ultrasons émis dans le tissu par le système d'imagerie. Cette
source de contrainte génère principalement une onde de cisaillement qui se propage avec une vitesse de
phase proportionnelle au module de cisaillement et une polarisation purement transversale en champ lointain
(loin de la source de contrainte). La mesure des déplacements du milieu, induits par la propagation de cette
onde, peut permettre par résolution du problème inverse de remonter au module de cisaillement. Nous avons
réalisé ces mesures à partir des lignes radiofréquences (RF) obtenues par un transducteur d'imagerie
ultrasonore. Ce travail décrit précisément le traitement que nous avons réalisé sur les lignes RF. Ce traitement
est basé sur l'utilisation d'une méthode d'estimation des retards temporels entre les lignes radiofréquences
obtenues pendant la propagation de l'onde de cisaillement. L'influence de différents paramètres (taille de la
fenêtre glissante d'analyse, rapport signal sur bruit des lignes RF, fréquence d'échantillonnage,
caractéristiques du transducteur ultrasonore...) sur la précision de mesure des déplacements a été étudiée.
Nous présentons les courbes des déplacements en fonction du temps obtenus après optimisation des
paramètres de traitement. Ces résultats expérimentaux ont été favorablement comparés à un modèle
physique et nous ont permis de remonter au module de cisaillement du milieu
Adaptive matched filters for contrast imaging
2010 IEEE. Reprinted, with permission, from Sébastien Ménigot, Iulian Voicu, Anthony Novell, Melouka Elkateb Hachemi Amar and Jean-Marc Girault,Adaptive matched filters for contrast imaging, 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 11---14 Oct. 2010. This material is posted here with permission of the IEEE. Such permission of the IEEE does not in any way imply IEEE endorsement of any of the Université François Rabelais de Tours' products or services. Internal or personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution must be obtained from the IEEE by writing to [email protected] audienceThe ultrasound (US) contrast imaging is a promising technique. Currently the scientific community of this field seeks US excitations which should make possible the optimization of the acoustic contrast. Two matched filters (MF) techniques are used to improve the image contrast. The first technique is an adaptive MF technique and the second is a RLS technique derived from identification theory. The system proposed is a close loop system which optimizes the power backscattered by microbubbles. After having transmit a first signal, the backscattered power is optimized by transmitting the matched filtered signal at each iteration. This process is iterated until convergence. Simulations are carried out for encapsulated microbubbles of 2 microns by considering the modified Rayleigh-Plesset equation for a 2.25 MHz transmitted frequency and for various pressure levels (20 kPa up to 420 kPa). In vitro, experiments are carried out by using two transducers a transducers which were placed perpendicularly. The signal was transmitted through a 2.25 MHz transducer. Responses of a 1/2000 diluted solution of SonoVue were measured by a 3.5 MHz transducer. Each experiment has been realized with three pressure levels (127, 244 and 370 kPa). We show through simulations and through in vitro experiments that our adaptive imaging technique gives in case of simulations a gain which can reach 12 dB compared to the traditional technique and for in vitro experiments, the MF gives a gain which can reach 4.5 dB whereas the MF derived from identification theory can reach 6 dB
Feasibility of optical coherence elastography measurements of shear wave propagation in homogeneous tissue equivalent phantoms
In this work, we explored the potential of measuring shear wave propagation using optical coherence elastography (OCE) based on a swept-source optical coherence tomography (OCT) system. Shear waves were generated using a 20 MHz piezoelectric transducer (circular element 8.5 mm diameter) transmitting sine-wave bursts of 400 μs, synchronized with the OCT swept source wavelength sweep. The acoustic radiation force (ARF) was applied to two gelatin phantoms (differing in gelatin concentration by weight, 8% vs. 14%). Differential OCT phase maps, measured with and without the ARF, demonstrate microscopic displacement generated by shear wave propagation in these phantoms of different stiffness. We present preliminary results of OCT derived shear wave propagation velocity and modulus, and compare these results to rheometer measurements. The results demonstrate the feasibility of shear wave OCE (SW-OCE) for high-resolution microscopic homogeneous tissue mechanical property characterization
Etude des déplacements transitoires générés par force de radiation ultrasonore dans les tissus biologiques (application à l'élastographie impulsionnelle)
La mesure des propriétés mécaniques des tissus biologiques nous procure des informations quantitatives permettant de différencier les tissus biologiques sains et pathologiques. Ceci peut se faire en faisant propager des ondes de cisaillement dans le milieu à étudier et en estimant les déplacements locaux qui sont reliés à l élasticité du milieu. Une étude théorique de la propagation de ces ondes est présentée. Un modèle analytique décrit les déplacements induits dans un milieu homoge ne et un modèle numérique décrit les déplacements induits dans un milieu hétérogène. Une étude expérimentale utilisant un système d imagerie mono-voie de mesure des déplacements est réalisée. Ce système d imagerie est par la suite remplacé par une barrette multi-éléments. L image du milieu est alors reconstruite à partir des signaux radiofréquence acquis séparément sur les éléments de la barrette en admettant un compromis entre temps d expérimentation et qualité d estimation des déplacements.Measure of mechanic properties of soft tissues provides a quantitative information which allow us to differentiate soft and pathological biological tissues. This can be done by propagating shear waves in the studied medium and measuring local displacements which are linked to the medium elasticity. A theoretical study of shear waves propagation is presented. An analytical model describes displacements induced in a homogeneous medium. A numerical model describes displacements induced in an inhomogeneous medium. An experimental study using a single element imaging system is realized. Afterwards, this imaging system is replaced with a linear multi-elements array. The medium image is then reconstructed from radiofrequency signals acquired separately on the linear array elements. A compromise is then found between time experimentation and estimation quality of displacements.TOURS-BU Médecine (372612103) / SudocSudocFranceF