Applications de la force de Lorentz en acoustique médicale

Applications of Lorentz force in medical acoustics

• Auteur / Autrice : Pol Grasland-Mongrain
• Direction : Cyril Lafon, Jean-Yves Chapelon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biologique et médicale
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des applications Thérapeutiques des Ultrasons
• Jury : Président / Présidente : Pierre Celsis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Lafon, Stefan Catheline, Bruno Gilles, Eric McAdams, Serge Mensah
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mickael Tanter, Gail ter Haar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échotomographie

Emploi en thérapeutique

Acoustique

Impédance électrique

Élastographie ultrasonore

Mots clés libres

Force de Lorentz

Acoustique médicale

Hydrophone

Ultrasons Focalisés à Haute Intensité

Tomographie Magnéto-Acousto-Electrique

Tomographie d’Impédance Electrique par Force de Lorentz

Impédance électrique

Élastographie

Lorentz force

Medical acoustics

Hydrophone

High Intensity Focused Ultrasound

Magneto-Acoustic-Electrical Tomography

Lorentz Force Electrical Impedance Tomography

Electrical impedance

Elastography

Résumé

La capacité de la force de Lorentz à relier un déplacement mécanique à un courant électrique présente un intérêt certain pour l'acoustique médicale, et trois applications ont été étudiées dans cette thèse. Dans la première partie de ce travail, un hydrophone a été développé pour effectuer des champs de vitesse acoustique. Cet hydrophone était constitué d'un fil de cuivre vibrant dans un champ magnétique. Un modèle a été élaboré pour déterminer une relation entre la pression acoustique et le courant électrique mesure, qui est induit par force de Lorentz lorsque le fil vibre dans un champ acoustique. Un prototype a ensuite été conçu et sa résolution spatiale, sa réponse fréquentielle, sa sensibilité, sa résistance et sa réponse directionnelle ont été examinées. Une méthode d'imagerie appelée Tomographie d'Impedance Electrique par Force de Lorentz a aussi été étudiée. Dans cette méthode, un tissu biologique est déplacé par ultrasons dans un champ magnétique, ce qui induit un courant électrique par force de Lorentz. L'impédance électrique du tissu peut ensuite être déduite de la mesure du courant. Cette technique a été appliquée pour réaliser des images d'un fantôme de gélatine, d'un muscle de bœuf, et d'une lésion thermique dans un échantillon de poulet. Cela a montré que la méthode est potentiellement utile pour fournir un contraste supplémentaire à des images ultrasonores classiques. Enfin, cette thèse a démontré que des ondes de cisaillement peuvent être générées dans des tissus mous par force de Lorentz. Cela a été réalisé en appliquant un courant électrique par deux électrodes dans un solide mou place dans un champ magnétique. Des ondes de cisaillement ont été observées dans des échantillons de gélatine et de foie. La vitesse des ondes de cisaillement a été utilisée pour calculer l'élasticité et leur source pour cartographier la conductivité électrique des échantillons

The ability of the Lorentz force to link a mechanical displacement to an electrical current presents a strong interest for medical acoustics, and three applications were studied in this thesis. In the first part of this work, a hydrophone was developed for mapping the particle velocity of an acoustic field. This hydrophone was constructed using a thin copper wire and an external magnetic field. A model was elaborated to determine the relationship between the acoustic pressure and the measured electrical current, which is induced by Lorentz force when the wire vibrates in the acoustic field of an ultrasound transducer. The built prototype was characterized and its spatial resolution, frequency response, sensitivity, robustness and directivity response were investigated. An imaging method called Lorentz Force Electrical Impedance Tomography was also studied. In this method, a biological tissue is vibrated by ultrasound in a magnetic field, which induces an electrical current by Lorentz force. The electrical impedance of the tissue can be deduced from the measurement of the current. This technique was applied for imaging a gelatin phantom, a beef muscle sample, and a thermal lesion in a chicken breast sample. This showed the method may be useful for providing additional contrast to conventional ultrasound imaging. Finally, this thesis demonstrated that shear waves can be generated in soft tissues using Lorentz force. This work was performed by applying an electrical current with two electrodes in a soft solid placed in a magnetic field. Shear waves were observed in gelatin phantom and liver sample. The speed of the shear waves were used to compute elasticity and their source to map the electrical conductivity of the samples