SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part II: comparison with three popular simulators

Computational ultrasound imaging has become a well-established methodology in the ultrasound community. In the accompanying paper (part I), we described a new ultrasound simulator (SIMUS) for Matlab, which belongs to the Matlab UltraSound Toolbox (MUST). SIMUS can generate pressure fields and radiofrequency RF signals for simulations in medical ultrasound imaging. It works in a harmonic domain and uses linear equations derived from far-field and paraxial approximations. In this article (part II), we illustrate how SIMUS compares with three popular ultrasound simulators (Field II, k-Wave, and Verasonics) for a homogeneous medium. We designed different transmit sequences (focused, planar, and diverging wavefronts) and calculated the corresponding 2-D and 3-D (with elevation focusing) RMS pressure fields. SIMUS produced pressure fields similar to those of Field II and k-Wave. The acoustic fields provided by the Verasonics simulator were significantly different from those of SIMUS and k-Wave, although the overall appearance remained consistent. Our simulations tend to demonstrate that SIMUS is reliable and can be used on a par with Field II and k-Wave for realistic ultrasound simulations.Comment: to be submitte

Ultrafast Cardiac Imaging Using Deep Learning For Speckle-Tracking Echocardiography

High-quality ultrafast ultrasound imaging is based on coherent compounding from multiple transmissions of plane waves (PW) or diverging waves (DW). However, compounding results in reduced frame rate, as well as destructive interferences from high-velocity tissue motion if motion compensation (MoCo) is not considered. While many studies have recently shown the interest of deep learning for the reconstruction of high-quality static images from PW or DW, its ability to achieve such performance while maintaining the capability of tracking cardiac motion has yet to be assessed. In this paper, we addressed such issue by deploying a complex-weighted convolutional neural network (CNN) for image reconstruction and a state-of-the-art speckle tracking method. The evaluation of this approach was first performed by designing an adapted simulation framework, which provides specific reference data, i.e. high quality, motion artifact-free cardiac images. The obtained results showed that, while using only three DWs as input, the CNN-based approach yielded an image quality and a motion accuracy equivalent to those obtained by compounding 31 DWs free of motion artifacts. The performance was then further evaluated on non-simulated, experimental in vitro data, using a spinning disk phantom. This experiment demonstrated that our approach yielded high-quality image reconstruction and motion estimation, under a large range of velocities and outperforms a state-of-the-art MoCo-based approach at high velocities. Our method was finally assessed on in vivo datasets and showed consistent improvement in image quality and motion estimation compared to standard compounding. This demonstrates the feasibility and effectiveness of deep learning reconstruction for ultrafast speckle-tracking echocardiography

Passive cavitation imaging using an open ultrasonic system and time reversal reconstruction

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. Elles sont le plus souvent provoquées par l'obstruction des vaisseaux par des caillots sanguins entrainant un manque d'oxygène dans les cellules. La thrombolyse ultrasonore extracorporelle constituerait un traitement innovant utilisant des ultrasons focalisés pour détruire les caillots sanguins en tirant parti de l'aspect mécanique de la cavitation acoustique. Un prototype a été conçu et amélioré afin de contrôler l'activité de cavitation. Pour suivre le processus de cavitation en temps réel, un système d'imagerie ultrasonore ouvert est utilisé. Les données brutes sont acquises en utilisant une sonde linéaire de 64 éléments actifs dans un mode d'imagerie passive. Lors du traitement de ces données, sur le principe du retournement temporel, le signal acoustique enregistré par la sonde est retro-propagées afin de localiser l'activité de cavitation

Contrôle temporel et spatial de la cavitation acoustique pour des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Les ultrasons focalisés permettent de détruire des caillots sanguins notamment en exploitant les effets mécaniques associés à la cavitation acoustique, dont la dynamique complexe reste un obstacle à l'élaboration d'un dispositif thérapeutique. Un meilleur contrôle de cette dynamique est donc nécessaire pour le développement d'une telle application. Un système permettant le contrôle temporel et spatial de la cavitation en régime pulsé a donc été développé dans le but de réaliser des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle. Ce système utilise, d'une part, un transducteur focalisé, un hydrophone et une boucle de rétroaction, réalisée à l'aide d'un dispositif FPGA, pour réguler l'activité de cavitation et, d'autre part, un système d'échographie, et un bras robotisé permettant le placement et le balayage par la sonde de thérapie du caillot sanguin à traiter. Le contrôle de la cavitation a été testé et caractérisé en eau dégazée. Les essais ont montré, d'une part, que le système de régulation permet d'atteindre un niveau de cavitation souhaité en régime pulsé de manière très reproductible et avec une bonne stabilité temporelle et, d'autre part, qu'il permet de repérer où se situe le nuage de cavitation le long de l'axe acoustique

Simulation non linéaire en ultrasons : application à l’imagerie du paramètre de non linéarité des tissus en mode écho

Harmonic imaging, based on the propagated medium nonlinearity, is a clinical imaging technique which increases the resolution of ultrasound images. The ultrasound measure of the local nonlinear parameter brings new perspectives in term tissues characterization. However, access to this information suffers from two strong points: from one hand, there is no current measurement method of this parameter in echo mode configuration and on the other hand, the simulation tools taking into account the nonlinearity are not many developed. An angular spectrum method has been proposed to compute the nonlinear pressure field with inhomogeneous nonlinear parameter. This pressure field is then used to generate ultrasound images containing the harmonic component. This spectral approach has been implemented on a GPU in order to accelerate the computation and package in a free software made available to the scientific community under the name CREANUIS. In a second time, a extension of a comparative method (ECM) has been proposed to take into account media with inhomogeneous nonlinearity, working an echo mode configuration. Thanks the developed simulation tools, different configurations have been used to parameterize and to evaluate the ECM which has then be validated on test objects and in vitro animal’s livers. Even if the measure presents a relatively weak resolution, the obtained images demonstrated a high potential in the nonlinear parameter imaging of tissues.L’imagerie ultrasonore harmonique, qui repose sur la non linéarité du milieu de propagation, est une technique d’imagerie clinique qui améliore la résolution des images. La mesure ultrasonore du paramètre local de non linéarité d'un milieu est une voie de recherche qui amènerait de nouvelles perspectives dans le domaine de la caractérisation des tissus. Cependant, l'accès à cette information se heurte à deux écueils : d'une part il n’existe pas actuellement de méthode de mesure de ce paramètre à partir du mode écho classique et d'autre part, les outils de simulation prenant en compte la non-linéarité du milieu sont peu développés. Une méthode de spectre angulaire a donc été proposée afin de calculer le champ de pression dans des milieux de non linéarité inhomogène. Ce champ de pression est ensuite utilisé pour engendrer des images échographiques contenant l’information harmonique. Cette méthode spectrale a été portée sur GPU afin d’accélérer le calcul et a été intégrée dans un logiciel libre : CREANUIS. Dans un deuxième temps, une extension d’une méthode comparative (ECM) a été proposée pour prendre en compte des milieux de non linéarité non homogène, fonctionnant en mode écho. Grâce aux outils de simulation développés, différentes configurations ont été utilisées pour la mise au point de l’ECM qui a ensuite été validée à partir d'objets tests et in vitro sur foies d’animaux. Même si la méthode de mesure présente une résolution relativement faible, les images obtenues démontrent le potentiel de l’imagerie du paramètre de non linéarité des tissus

Double-stage least-squares regularisation for 3D velocity estimation: a simulation study

International audienc

Excitation chirp pour la microscopie par localisation ultrasonore : preuve de concept expérimentale

International audienceDepuis quelques années, la microscopie par localisation ultrasonore (« superlocalization ») in vivo est un domaine de recherche très actif. En effet, en permettant d’imager les vaisseaux sanguins à une résolution inférieure à la longueur d’onde, la technique a ouvert de nombreuses possibilités pour l’imagerie ultrasonore. Cependant, la microscopie par localisation ultrasonore nécessite l’acquisition d’un grand nombre d’échantillons RF et donc des temps de calculs élevés qui entravent sa mise en pratique. Pour pallier à ce problème, nous proposons ici d’effectuer la localisation avec des signaux « chirp », qui ont la particularité d’augmenter le rapport signal-à-bruit sans augmenter la pression acoustique émise. En particulier, nous proposons d’utiliser ce gain en rapport signal-à-bruit pour diminuer le nombre d’éléments utilisés pour l’acquisition des signaux RF et donc le nombre d’échantillons. Dans une étude préliminaire, nous comparons les performances en terme de localisation de bulles d’une émission « chirp » et d’une émission pulsée conventionnelle. Pour ce faire, une sonde à une fréquence centrale de 15 MHz est utilisée pour imager une suspension de bulles Sonovue et recevoir l’ensemble des signaux US. Puis, la localisation des bulles est effectuée en utilisant les algorithmes standards de microscopie par localisation ultrasonore. Les résultats démontrent que la réponse des bulles à l’émission « chirp » est très similaire à l’émission pulsée mais que l’émission « chirp » permet cependant de localiser plus de bulles. De plus, le nombre de bulles localisées est significativement moins sensible à une diminution du nombre d’éléments lorsque l’émission « chirp » est utilisée. Ces résultats tendent à démontrer que les émissions chirp sont un excellent candidat pour diminuer les temps de calculs nécessaires à la formation d’une image de microscopie ultrasonore. Une validation complète sera prochainement conduite sur un écoulement de bulles in vitro

Dual Frequency Band Annular Probe for Volumetric Pulse-echo Optoacoustic Imaging

International audienceOptoacoustic (OA) pulse echo (PE) imaging is a hybridized modality that is capable of providing physiological information on the basis of anatomical structure. In this work, we propose a dual frequency band annular probe for backward mode volumetric PE/OA imaging. The performance of this design is evaluated based on the spatio-temporal impulse response, three dimensional steerability of the transducer and point spread function. Optimum settings for number of elements in each ring and maximum steering are suggested. The transducer design and synthetic array beamforming simulation are presented. The resolution performance and reconstruction capabilities are shown with the in-silico measurements

Is nocturnal desaturation a trigger for neuronal damage in chronic obstructive pulmonary disease?

International audiencePatients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) present many neurological disorders of unknown origin. Although hypoxemia has long been thought to be responsible, several studies have shown evidence of neuronal damage and dysfunction even in non-hypoxemic patients with COPD. Adaptive mechanisms protect the brain from hypoxia: when arterial oxygen tension (PaO 2) decreases, the cerebral blood flow (CBF) increases, ensuring continuously adequate oxygen delivery to the brain. However, this mechanism is abolished during non-rapid eye movement (NREM) sleep. Any drop in PaO 2 during NREM sleep is therefore not compensated by increased CBF, causing decreased cerebral oxygen delivery with subsequent brain hypoxia. Patients with may therefore be exposed to neuronal damage during this critical time. This mechanism is of vital importance for patients with COPD because of the potentially deleterious cortical effects. Nocturnal desaturation is quite frequent in COPD and affects approximately one out of two patients who are not hypoxemic during wakefulness. Although the prevalence of NREM sleep desaturation has never been specifically assessed in COPD, current data suggest that at least half of the nocturnal desaturation in desaturating patients occurs during NREM sleep. This review presents the rationale for the hypothesis that nocturnal desaturation during NREM sleep promotes neuronal damage and dysfunction in COPD