Imagerie ultrasonore ultra-rapide pour l’estimation en 2D du mouvement pariétal et du flux dans l’aorte abdominale

Ultrafast ultrasound imaging for simultaneous 2D wall and flow motion of the abdominal aorta

• Auteur / Autrice : Nina Ghigo
• Direction : Hervé Liebgott, Piero Tortoli, Didier Vray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique, traitement du signal et de l'image
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Università degli Studi di Firenze
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé (Lyon ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Ayache Bouakaz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Liebgott, Piero Tortoli, Nadjia Kachenoura, Adrian Basarab, Ingvild Kinn Ekroll, Giulia Matrone, Stefano Ricci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjia Kachenoura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Traitement du signal -- Techniques numériques -- Appareils et matériel

Imagerie ultrasonore

Innovation

Échographie

Appareil cardiovasculaire

Mots clés libres

Traitement du signal

Acoustique

Ultrason

Ultrasound

Signal processing

Acoustic

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'imagerie ultrasonore, aussi appelée échographie. L'objectif est de fournir aux cliniciens un mode ultrasonore permettant d'extraire simultanément le mouvement pariétal et le flux à une cadence d’imagerie élevée dans les vaisseaux sanguins pouvant être imagés avec une sonde convexe. Les maladies cardiovasculaires regroupent les maladies qui touchent le cœur, les vaisseaux sanguins, ou les deux. Leur processus de formation n'est pas encore totalement compris, bien que l'on suppose que certains paramètres, liés à la vitesse d'écoulement et au mouvement de la paroi, pourraient être des marqueurs de certaines de ces pathologies. L'évaluation de ces paramètres pourrait permettre une détection précoce de ces maladies. Le cœur induit des mouvements rapides, transitoires et complexes dans les vaisseaux sanguins et notamment dans les artères. Une modalité à haute cadence d'images est alors nécessaire pour extraire le plus d'informations possible sur l'état du système cardiovasculaire. Malheureusement, aucune technique n'est actuellement utilisée en clinique pour extraire à la fois des marqueurs de flux et de pathologie de la paroi à des fréquences d'imagerie élevée avec une sonde convexe. C'est pourquoi, dans cette thèse, une séquence ultrasonore et un algorithme permettant l'extraction des paramètres de flux et de tissu, à des taux d'imagerie élevés sur des artères évaluées avec une sonde convexe, sont présentés. Il y a trois contributions scientifiques principales dans cette thèse : 1.la conception de la séquence ultrasonore à une haute cadence d'imagerie, 2.un algorithme pour l'estimation du mouvement 2D du flux et du mouvement tissulaire, 3.une preuve de concept expérimentale. La séquence ultrasonore est basée sur l'acquisition de très peu d'ondes divergentes, suivie d'une méthode de composition d’images (i.e. compounding), afin de préserver la cadence d’imagerie tout en augmentant la qualité de l'image finale. Cette thèse se concentre sur l’étude des vaisseaux profonds, où la cadence d’imagerie est intrinsèquement limitée par le temps d'aller-retour conséquent de l'onde ultrasonore. La méthode d’estimation de mouvement proposée introduit une oscillation latérale virtuelle dans l'imagerie ultrasonore qui, couplée à un estimateur 2D basé sur la phase, permet d'extraire des champs de vitesse vectoriels. Les validations de l'estimation du flux et du mouvement de la paroi ont été effectuées expérimentalement sur un fantôme d'aorte abdominale réaliste conçu au laboratoire. Enfin, la preuve de concept clinique a été réalisée sur un volontaire sain.

This thesis is focused on ultrasound imaging for clinical application. The goal is to give to clinicians an ultrasound mode to simultaneously extract wall motion and flow at high frame rate in blood vessels that can be imaged with a convex probe. Cardiovascular diseases may involve the heart, blood vessels or both. Their formation process is still not fully understood, although it is hypothesized that some parameters related to flow velocity and wall motion could be markers of some pathologies. Assessing such parameters might allow early cardiovascular diseases detection and understanding. The heart induces fast, transient, complex motions in connected arteries. A high frame rate modality is needed to extract as much information as possible on the condition of the cardiovascular system. Unfortunately, no technique is currently used in clinics for the extraction of both flow and wall pathological markers at high frame rate with a convex probe. Convex probes are used to visualize blood vessels located deeply under the skin. Their relatively low frequency and large field-of-view make them ideal to image large portions of vessels even under a large layer of fat. Therefore, in this thesis, an ultrasound sequence and an algorithm allowing the extraction at high frame rate of both flow and tissue motions parameters is presented. The work focuses on arteries investigated with a convex probe. There are three main scientific contributions in this thesis: 1.the design of the high frame rate ultrasound sequence, 2.an algorithm for 2D estimation of both flow and tissue motion, 3.an experimental proof of concept. The ultrasound sequence is based on very few diverging waves transmissions and echoes acquisitions, followed by compounding, to preserve the frame rate while maintaining as much as possible the image quality. The case of deep vessels is considered, in which the frame rate is inherently limited by the long round-trip time of the ultrasound wave. The processing pipeline used an approach that introduces a lateral oscillation in ultrasound images. The images then contain two oscillations, one in the direction of the ultrasound propagation, and one added in the perpendicular direction to the ultrasound propagation. Vectorial velocity fields can be extracted with a 2D phase-based estimator. Validations for both flow and wall motion estimation were performed through an in-house realistic abdominal aorta phantom designed for the experimental tests. Finally, the clinical proof of concept was performed on a healthy volunteer.