Formation de voies en émission et en réception pour l'amélioration de l'imagerie ultrasonore : application à l'imagerie non linéaire des tissus biologiques

New beamforming strategy for improved ultrasound imaging : application to biological tissues nonlinear imaging

• Auteur / Autrice : Matthieu Toulemonde
• Direction : Christian Cachard, Olivier Basset, Piero Tortoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 21/11/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Università degli Studi di Firenze
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image et du Son, UMR5515 (Lyon, Rhône ; 1995-2006)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Michel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrico Boni, Massimo Mischi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Kouamé, Filippo Molinari
• DOI : 10.70675/d0e3685czaca3z4e4cz8007z4d1c6684a512

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion de Thomson

Théories non linéaires

Imagerie ultrasonore

Granularité (optique)

Mots clés libres

Imagerie ultrasonore

Speckle

Filtre de Thomson

Composition d'onde plane

Imagerie harmonique

Paramètre de non-linéarité

Ultrasound imaging

Speckle

Thomson’s multitaper

Plane-wave composition

Harmonic imaging

Nonlinearity parameter

Résumé

L'échographie est aujourd'hui une technique d'imagerie de diagnostic répandue. Si l'imagerie dite ‘classique' basée sur la réponse linéaire des tissus est couramment utilisée, l'imagerie harmonique, basée sur la réponse non linéaire des tissus, est maintenant aussi utilisée en routine clinique. L'estimation du paramètre de non linéarité d'un milieu par une technique ultrasonore amène de nouvelles perspectives en termes d'imagerie et de diagnostic. Cependant, la méthode de mesure du paramètre de non linéarité est limitée par deux facteurs, la présence du speckle et la concentration de l'énergie à une profondeur donnée (la zone focale). Cette thèse a pour objectifs de répondre aux deux limitations mentionnées précédemment en proposant de nouvelles méthodes de lissage de l'image pour réduire le speckle et d'améliorer l'estimation du paramètre de non linéarité en mode écho par de nouvelles méthodes d'émission. Dans un premier temps, il a été proposé d'utiliser une méthode de filtrage spatiale basée sur des filtres orthogonaux (filtres de Thomson) lors de la formation de voie en réception pour lisser le speckle. Ce filtrage spatiale intervient après la transmission d'ondes planes sous différents angles pour améliorer la résolution spatiale et le contraste tout en accélérant la cadence d'imagerie. Dans un deuxième temps, l'estimation du paramètre de non linéarité est faite avec une méthode comparative. Le champ de pression du second harmonique d'une zone de référence est comparé avec le champ de pression d'une zone dont le paramètre de non linéarité est inconnu. Cependant, dans le cas des images échographiques, le champ de pression du second harmonique n'est pas accessible. Nous faisons l'hypothèse que la pression acoustique locale est liée à l'intensité de l'image échographique si le speckle est réduit et lissé. La transmission d'ondes planes et l'application de filtres orthogonaux permet de mieux délimiter le paramètre de non linéarité par rapport à une transmission focalisée

Nowadays, ultrasound imaging is a common diagnostic tool thanks to its non-invasive behavior and relatively cheap equipment. Classic medical echographic imaging is based on the linear response of the biological tissue. However harmonic imaging, based on the harmonic frequencies generated by the nonlinear properties of the tissue, is more and more used for clinical application. The quantification of nonlinearity is based on the evaluation of the nonlinearity parameter which strongly influences the harmonics generation. The nonlinearity parameter estimation using an echographic approach would bring new modalities for imaging and diagnosis. However the echographic method for nonlinearity estimation is limited by two factors: the presence of speckles in the image and the focalization used during transmission, which concentrates the energy at one particular depth. The objectives of this thesis work are developing novel approaches to reduce the speckle noise using original smoothing techniques and improving the nonlinearity parameter estimation in echo mode using new transmission-reception strategies. Firstly, new speckle noise reduction approaches were investigated. The Thomson’s multitaper approach was proposed, consisting in using several different orthogonal apodizations during beamforming. This method was combined to a coherent plane-wave compounding transmission-reception strategy improving the spatial resolution and the contrast while improving the frame rate. In a second time, the nonlinearity parameter was estimated using a comparative method. The second-harmonic pressure field of a reference area was compared to the pressure field of an area where the nonlinearity parameter is unknown. However in echo-mode, the pressure field of the medium is unknown. It is assumed in this thesis work that the local pressure can be derived from envelope image local amplitude if the speckle noise is smoothed. The nonlinearity parameter estimation has been improved using plane-wave transmission and orthogonal apodizations compared to the use of a single focalization transmission

Oggigiorno, le tecniche di imaging ad ultrasuoni sono un comune strumento di diagnosi, grazie alla loro non invasività e alla relativa economicità dei sistemi. La risposta lineare dei tessuti biologici è la base per le tecniche di imaging ecografico tradizionali. La generazione di frequenze ad armoniche superiori da parte dei tessuti può essere sfruttata per sviluppare tecniche di imaging innovative (i.e., imaging armonico), che sono sempre più utilizzate per applicazioni cliniche. Tali tecniche sono basate sul metodo di valutazione del parametro di non linearità che influenza fortemente la generazione delle armoniche all’interno dei tessuti. I metodi per la stima dei suddetti parametri sfruttano solitamente un approccio ecografico tradizionale. Di conseguenza, gli effetti legati alla focalizzazione impiegata durante la trasmissione, che concentra l’energia ad una particolare profondità, e la presenza di speckle nell’immagine finale, rendono più incerta la stima del parametro di non linearità. In questa tesi sono proposti metodi innovativi finalizzati a due scopi: ridurre, nelle immagini, il rumore dovuto a speckle, tramite l’adozione di nuove tecniche di smoothing; migliorare la stima dei parametri di non linearità, tramite l’impiego di nuove strategie di beamforming in trasmissione e ricezione. Per ridurre il rumore dovuto a speckle, è stato proposto un approccio di filtraggio spaziale basato sull’impiego dei filtri di Thomson. Tale tecnica consiste nell’impiego di numerose apodizzazioni ortogonali fra di loro in fase di beamforming. Il metodo è stato in particolare combinato con la tecnica di imaging coherent plane-wave compounding, con lo scopo di migliorare la risoluzione spaziale e il contrasto e, al contempo, incrementare il frame rate. Il parametro di non linearità è stato misurato tramite un approccio comparativo. Il campo di pressione della seconda armonica in un’area di riferimento dell’immagine è stato confrontato con quello di un’area in cui il parametro di non linearità è ignoto. In questa tesi, grazie alla riduzione del rumore speckle, è stato possibile assumere che il campo di pressione