Imagerie ultrasonore 4D par reconstruction rapide dans le domaine de Fourier et compression de données

4D ultrasonic imaging with compressed sensing techniques and reconstruction algorithms in the Fourier domain

• Auteur / Autrice : Maxance Marmonier
• Direction : Claire Prada
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin : ondes et images
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gennisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Prada, Damien Garcia, Nicolas Quaegebeur, Sébastien Grondel, Samuel Rodriguez, Hervé Chauris, Sébastien Robert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Garcia, Nicolas Quaegebeur

Mots clés

Mots clés libres

Ultrasons

Imagerie 3D

Capteurs multiéléments

Algorithmes de reconstruction rapide

Compressed sensing

Ultrasound

3D imaging

Transducer arrays

Fast reconstruction algorithms

Compressed sensing

Résumé

Le sujet de cette thèse est l'imagerie ultrasonore 3D pour le contrôle non destructif. En particulier, nous cherchons à atteindre une cadence temps réel en imagerie 3D. Cela nécessite de réduire le nombre d'opérations de calcul induites par l'imagerie volumique et la quantité de données issue d'un capteur matriciel. La solution étudiée repose sur l'utilisation combinée d'algorithmes de traitement dans le domaine de Fourier, minimisant le nombre d'opérations par voxels, et sur des techniques d'acquisition par ondes planes qui limitent la quantité de données à traiter en réduisant le nombre d'émissions. L'adéquation de cette approche à l'imagerie temps réel est étudiée avec l'objectif de proposer une imagerie 3D économe en mémoire et à haute résolution. L'implémentation dans un système ultrasonore de laboratoire montre que les algorithmes fréquentiels permettent la reconstruction d'images comportant jusqu'à $10$ millions de voxels, surpassant les méthodes temporelles qui plafonnent à $100 000$ voxels. Également, les méthodes fréquentielles permettent de maintenir une fréquence supérieure à $50$ Hz pour des images jusqu'à $1$ million de voxels. Par ailleurs, ce travail de thèse examine l'apport potentiel de l'acquisition comprimée pour réduire le volume de données, montrant une amélioration de la résolution et du rapport signal sur bruit par rapport aux acquisitions en ondes planes. Néanmoins, le temps nécessaire au processus de décompression représente un obstacle à l'utilisation en temps réel. Deux stratégies sont donc proposées afin d'accélérer la décompression en rendre cette technique compatible avec les exigences du temps réel.

The subject of this thesis is 3D ultrasonic imaging for non-destructive testing. In particular, we aim to achieve real-time performance in 3D imaging. This requires reducing the number of computational operations induced by volumetric imaging and the amount of data generated by a matrix sensor. The studied solution relies on the combined use of processing algorithms in the Fourier domain, minimizing the number of operations per voxel, and on plane wave acquisition techniques that limit the amount of data to be processed by reducing the number of emissions. The suitability of this approach for real-time imaging is studied with the objective of proposing a memory-efficient and high-resolution 3D imaging method. Implementation in a laboratory ultrasonic system shows that frequency domain algorithms allow the reconstruction of images containing up to 10 million voxels, surpassing time-domain methods that peak at $100,000$ voxels. Additionally, frequency domain methods maintain a frequency above $50$ Hz for images up to $1$ million voxels. Furthermore, this thesis examines the potential contribution of compressed acquisition to reduce data volume, showing improved resolution and signal-to-noise ratio compared to plane wave acquisitions. However, the time required for the decompression process is an obstacle to real-time use. Therefore, two strategies are proposed to accelerate decompression and make this technique compatible with real-time requirements.