High order harmonic balance formulation of free and encapsulated microbubbles

The radial responses of free or encapsulated micro-bubbles excited by a plane wave of large wavelength are governed by NonLinear Ordinary Differential Equa- tions (NL-ODEs). The nonlinear frequency response details the harmonic con- tent of the time response and constitutes the expected outcome of a high order harmonic analysis. In this paper, a high order harmonic balance analysis of the ”RNNP” (bubble), Hoff and Marmottant (contrast agents) models are per- formed with the open-source Manla

Soft tissue absorption tomography with correction for scattering aberrations.

International audienceAmong the many factors involved in ultrasound attenuation phenomena, scattering effects play a major role, even in the unexpected case of soft tissues. It is proposed in this study to quantitatively evaluate the scattering affecting the measurements, before reconstructing the absorption parameter alone. The reconstruction procedure involves three steps: i/ estimating the sound speed map using a transmission tomography algorithm. This estimation procedure provides a numerical phantom of the organ probed, cleared of all dissipative components. This absorption free phantom mimics the (viscoacoustic) tissues imaged except for the density and absorption characteristics: the density a priori equals 1000 kg/m3, and the absorption is not taken into account. The impedance fluctuations in the object are therefore approximated on the basis of the sound speed contrast; ii/ synthesing the field scattered by the absorption free phantom; the attenuation observed here results solely from the scattering phenomenon. The synthesis is carried out using a finite-element time domain code simulating the ultrasonic propagation through the phantom. It provides the scattering distortion reference introduced into the log spectral absorption estimator; iii/ reducing the scattering distortions affecting the integrated absorption measured along the ray paths using a log spectral procedure. The corrected integrated absorption is then processed using a tomographic reconstruction procedure that provides an estimate of the absorption distribution. Simple numerical simulations show the improvement obtained in the absorption estimates with this approach

Modélisation du comportement dynamique d'un agent de contraste ultrasonore

Ultrasound contrast agents (UCA) are microbubbles of gas encapsulated within a biomaterial shell. Injected intravenously, UCA enhance the diagnostic capabilities of ultrasonic imaging. For diagnostic or therapeutic applications new developments require a better knowledge of their dynamics. After a comparative literature review of theoreticals models (including some numerical results), we propose a study of the Rayleigh-Plesset, Hoff and Marmottant models in the regime of nonlinear oscilla- tions. The frequency response curves, obtained with the MANLAB software using the quadratic form of the models, show the softening behaviour of the UCA. The influence of viscous damping and acoustic pressure amplitude is examined. A finite element model (FEM) using COMSOL MultiphysicsTM is also developed in order to evaluate the resonance frequency of an UCA (air core within a viscoelastic shell) close to a rigid wall. We inves- tigate first the case of an UCA immersed in an unbounded liquid. The results obtained with the FEM are coherent with theoretical models. The FEM has been used to perform parametrical studies (UCA radius, shell parameter...). A rigid wall is then added in the FEM : the closer the UCA gets to the boundary, the lower is the resonance frequency. This behaviour is in good agreement with recent experimental results found in literature.Les agents de contraste ultrasonore (ACU) sont des microbulles de gaz contenues dans une enveloppe biocompatible. Injectés par voie intraveineuse, ils permettent d'améliorer le contraste échographique. La mise au point de nouvelles techniques d'imagerie utilisant les ACU nécessite une connaissance fine de leur comportement dynamique. Un état de l'art comparatif des modèles théoriques, illustrés de résultats numériques, a motivé une étude du caractère non linéaire des équations de Rayleigh-Plesset, Hoff, et Marmottant. Les courbes amplitude-fréquence, obtenues à l'aide du logiciel MANLAB suite à la mise sous forme quadratique des équations, révèlent le caractère mollissant d'un ACU et permettent de quantifier l'influence de l'amortissement visqueux et de l'amplitude de l'excitation acoustique sur la réponse d'un ACU. Un modèle éléments finis (COMSOL MultiphysicsTM) est ensuite proposé pour évaluer la fréquence de résonance d'un ACU (dont l'enveloppe est modélisée par un corps viscoélastique) placé soit dans un milieu fluide infini, soit dans un milieu fluide semi-infini (présence d'une paroi rigide). Les résultats obtenus en milieu infini sont en accord avec ceux issus des modèles théoriques, validant ainsi le modèle numérique. Des études paramétriques ont été effectuées afin d'étudier l'influence du rayon de l'objet et des paramètres de l'enveloppe sur la fréquence de résonance. En présence d'une paroi, il a été mis en évidence que plus l'ACU est proche de celle-ci, plus sa fréquence de résonance diminue. Ce comportement est confirmé par les résultats expérimentaux parus récemment dans la littérature

Ultrasound Mammography

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Ultrasonic absorption tomography on soft tissues with correction for scattering effects

International audienceAmong the many factors involved in ultrasound attenuation phenomena scattering effects play a particularly important role, even in the case of the soft tissues studied here. It is proposed in this study to isolate these effects before proceeding with the reconstruction of the absorption parameter alone. The procedure used for this purpose consists first in reconstructing the sound speed distribution (constituting the absorption free model), using a transmission tomography algorithm. A numerical propagation (FEM) code processing the absorption free phantom then generates realistic scattering distortions that serve as reference signals when applying the log spectral difference method. The scattering effects are thus removed from the integrated absorption projections measured. The latter are processed using a tomographic procedure that provides an estimate of the absorption distribution. Numerical simulations show the improvement obtained in the absorption contrast estimates thanks to this method

Modélisation du comportement dynamique d'un agent de contraste ultrasonore

Les agents de contraste ultrasonore (ACU) sont des microbulles de gaz contenues dans une enveloppe biocompatible. Injectés par voie intraveineuse, ils permettent d améliorer le contraste échographique. La mise au point de nouvelles techniques d imagerie utilisant les ACU nécessite une connaissance fine de leur comportement dynamique. Un état de l art comparatif des modèles théoriques, illustrés de résultats numériques, a motivé une étude du caractère non linéaire des équations de Rayleigh-Plesset, Hoff, et Marmottant. Les courbes amplitude-fréquence, obtenues à l aide du logiciel MANLAB suite à la mise sous forme quadratique des équations, révèlent le caractère mollissant d un ACU et permettent de quantifier l influence de l amortissement visqueux et de l amplitude de l excitation acoustique sur la réponse d un ACU. Un modèle éléments finis (COMSOL MultiphysicsTM) est ensuite proposé pour évaluer la fréquence de résonance d un ACU (dont l enveloppe est modélisée par un corps viscoélastique) placé soit dans un milieu fluide infini, soit dans un milieu fluide semi-infini (présence d une paroi rigide). Les résultats obtenus en milieu infini sont en accord avec ceux issus des modèles théoriques, validant ainsi le modèle numérique. Des études paramétriques ont été effectuées afin d étudier l influence du rayon de l objet et des paramètres de l enveloppe sur la fréquence de résonance. En présence d une paroi, il a été mis en évidence que plus l ACU est proche de celle-ci, plus sa fréquence de résonance diminue. Ce comportement est confirmé par les résultats expérimentaux parus récemment dans la littérature.Ultrasound contrast agents (UCA) are microbubbles of gas encapsulated within a biomaterial shell. Injected intravenously, UCA enhance the diagnostic capabilities of ultrasonic imaging. For diagnostic or therapeutic applications new developments require a better knowledge of their dynamics. After a comparative literature review of theoreticals models (including some numerical results), we propose a study of the Rayleigh-Plesset, Hoff and Marmottant models in the regime of nonlinear oscillations. The frequency response curves, obtained with the MANLAB software using the quadratic form of the models, show the softening behaviour of the UCA. The influence of viscous damping and acoustic pressure amplitude is examined. A finite element model (FEM) using COMSOLMultiphysicsTM is also developed in order to evaluate the resonance frequency of an UCA (air core within a viscoelastic shell) close to a rigid wall. We investigate first the case of an UCA immersed in an unbounded liquid. The results obtained with the FEM are coherent with theoretical models. The FEM has been used to perform parametrical studies (UCA radius, shell parameter...). A rigid wall is then added in the FEM: the closer the UCA gets to the boundary, the lower is the resonance frequency. This behaviour is in good agreement with recent experimental results found in literature.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Finite element simulation of ultrasound contrast agent behaviour

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Development of a finite element model of ultrasound contrast agents

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Modélisation dynamique de microbulles libres ou encapsulées par méthode d'équilibrage harmonique

National audienceLes réponses radiales des microbulles nues ou encapsulées excitées par une onde plane ultrasonore de grande longueur d'onde (relativement à la taille des bulles) répondent à une équation différentielle non-linéaire (NL-ODE). La réponse fréquentielle non-linéaire décrit le contenu harmonique de la réponse temporelle, elle est le résultat escompté d'une analyse harmonique d'ordre supérieur. Dans cette étude, l'analyse effectuée à l'aide d'une méthode d'équilibrage harmonique (HBM) décrit les réponses fréquentielles en amplitude des modèles de bulles (RNNP) et d'agents de contraste (Hoff et Marmottant). Pour cela, ces modèles dynamiques sont réécrits sous forme de systèmes étendus pour lesquels les non-linéarités sont au plus quadratiques. Fixant arbitrairement le nombre d'harmoniques considérés, une solution analytique exempte de bruit temporel de discrétisation est calculée. Certaines caractéristiques non-linéaires telles que les résonnances principales et secondaires ou les seuils d'amplitude d'entrée en régime non-linéaire sont alors exhibés. De même, les courbes fréquentielles tracées révèlent la dépendance fréquence/amplitude de vibration (systèmes raidissant ou mollissant) et quantifient les fréquences et amplitudes de saut de chaque composante harmonique. Les résultats, obtenus avec le logiciel en ligne Manlab développé par le LMA, confirment d'une part les capacités prédictives de la méthodologie élaborée et, d'autre part, valident son apport dans l'élaboration de techniques de détection et de dimensionnement non-linéaires de microbulles. Enfin, les potentialités multiples de cette approche pourraient accélérer la conception des futurs agents de contraste ultrasonores et permettre la définition de critères d'optimalité de leur activation