Analyse multi-dimensionnelle de la matrice de réflexion pour l'imagerie ultrasonore quantitative

Multi-dimensional analysis of the reflection matrix for quantitative ultrasound imaging

• Auteur / Autrice : Flavien Bureau
• Direction : Alexandre Aubry, Mathias Fink
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/07/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : Centre national de la recherche scientifique (France ; 1939-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Couture
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Aubry, Mathias Fink, Jérémy Dahl, Jean Provost, Juliette Pierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérémy Dahl, Jean Provost

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie ultrasonore

Imagerie 3D

Imagerie transcrânienne

Imagerie matricielle

Tomographie de la vitesse du son

Focalisation adaptative

Ultrasound imaging

3D imaging

Transcranial imaging

Matrix imaging

Speed-Of-Sound tomography

Adaptive focusing

Résumé

L'échographie est une technique d'imagerie très utilisée en medecine, notamment car elle est non invasive. Elle consiste à insonifier un milieu avec une onde ultrasonore et à enregistrer les échos rétrodiffusés par les hétérogénéités du milieu au moyen d'une sonde ultrasonore. En appliquant des retards temporels appropriés à chaque canal d'émission et de réception, il est possible d'obtenir une image de la reflectivité du milieu. Cette approche repose sur des hypothèses fortes que sont une vitesse du son constante et un régime de diffusion simple. En pratique, ces hypothèses sont loin d'être vérifiées. En effet, les variations spatiales de la vitesse du son en tout point du champ de vision déforment le front d'onde, ce qui impacte considérablement le processus de focalisation et donc la résolution de l'image. Dans ce travail, ces limites fondamentales sont étudiées et résolues en enregistrant la matrice de réflexion du milieu, qui contient toute l'information disponible sur le milieu étudié. Alors que la génération d'une image ultrasonore est basée sur un processus de focalisation simultanée en entrée et en sortie sur chaque point de l'image, l'imagerie matricielle consiste à découpler les points focaux d'entrée et de sortie afin de pouvoir examiner les aberrations et la diffusion multiple en tout point. Plus précisément, l'objectif de cette étude est d'exploiter tous les degrés de liberté disponibles dans cette matrice pour étendre l'imagerie matricielle ultrasonore à plusieurs dimensions : (i) dans le domaine spatial en passant de l'imagerie 2D à l'imagerie 3D avec des applications à l'imagerie transcrânienne ; (ii) en exploitant les degrés de liberté temporels pour caracteriser la réponse spectrale d’objets résonantstel que les microbulles ; (iii) réaliser un autoportrait du processus de focalisation de l'onde en tout point du milieu ; (iv) exploiter la sensibilité du déphasage de Gouy au niveau du plan de focalisation pour sonder la défocalisation et compenser les aberrations axiales ; (v) cartographier la vitesse du son pour obtenir une image quantitative des tissus biologiques.

Ultrasound is a widely used imaging technique in medicine, especially because it is non-invasive. It consists in probing a medium with an ultrasonic wave and recording the echoes backscattered by the medium heterogeneities with an ultrasonic probe. By applying appropriate time delays to each transmit and receive channel, it is possible to obtain an image of the medium reflectivity. Ultrasound imaging relies on strong assumptions such as a constant speed of sound and only a single scattering regime. In practice, these assumptions are far from being fulfilled. The spatial variations in sound velocity distort the wavefront, which significantly impacts the focusing process and thus the image resolution. In this work, these fundamental limitations are addressed and solved by recording the reflection matrix, which contains all the information available on the medium of interest. While the generation of an ultrasound image is based on a process of simultaneous input and output focusing on each point of the image, matrix imaging consists in decoupling the input and output focal points in order to scan aberrations and multiple scattering. Specifically, the aim of this study is to exploit all the degrees of freedom available in this matrix to extend this approach in several dimensions: (i) in the spatial domain by moving from 2D to 3D imaging with applications to transcranial imaging; (ii) by exploiting the temporal degrees of freedom to characterize the spectral response of resonant objects such as microbubbles; (iii) by performing an auto-portrait of the wave focusing process at any point of the medium; (iv) by using the sensitivity of the Gouy phase shift at the focusing plane to probe the defocus and compensate for axial aberrations; (v) by mapping the speed-of-sound to obtain a quantitative image of biological tissues.