Génération de champs acoustiques contrôlés par inversion d'image échographique – Focalisation sélective et applications

Controlling acoustic fields by inversing echographic images - Selective Focusing and applications

• Auteur / Autrice : Ali Mcheik
• Direction : Samuel Rodriguez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : APY : Acoustique Physique

Mots clés

Mots clés libres

Acoustique

Focalisation

Ultrason

Imagerie

Acoustics

Focusing

Ultrasound

Imaging

Résumé

La génération de champs acoustiques contrôlés, en particulier la focalisation des ultrasons, a de nombreuses applications : le traitement médical non invasif par ultrasons de puissance (HIFU) ; la manipulation d'objets à distance (pinces acoustiques) ; l'imagerie ultrasonore en milieu bruité ou encore la création de sources de chaleur pour la caractérisation thermique (sonothermographie). La précision spatiale de cette focalisation est un enjeu important. Les méthodes classiques sont mises en échec dès que les propriétés mécaniques du milieu ne sont pas connues avec précision. Les propriétés de refocalisation du retournement temporel permettent de s'affranchir de nombreuses hypothèses limitatrices dès lors que la signature acoustique de la cible est connue. La méthode DORT [1] permet d'isoler les signatures de diffracteurs ponctuels dans un milieu aux propriétés inconnues. Néanmoins, sa mise en œuvre pratique requiert la connaissance de la matrice de réflexion complète, et la séparation des différentes contributions s'avère difficile quand les objets ont une taille non négligeable devant la longueur d'onde. La méthode SelF-EASE [2] développée au laboratoire peut, elle, se contenter d'un éclairage unique du milieu et permet d'extraire les signatures acoustiques d'objets identifiés dans l'image échographique même si la connaissance des propriétés du milieu est approximative. La retropropagation de ces signatures assure la focalisation précise. Les expériences numériques de [2] ont été récemment confirmées par des résultats expérimentaux préliminaires obtenus à travers un crâne humain imprimé en 3D. Ces résultats montrent le fort potentiel de la méthode. Le projet porte sur : 1- L'amélioration de la maniabilité et de la robustesse : implémentation en temps réel et exploitation d'éclairages multiples. 2- Le développement d'une méthode hybride avec d'autres méthodes d'imagerie : Les méthodes Self-EASE et DORT reposent sur des heuristiques très différentes, chacune présentant leur avantage. L'imagerie matricielle [3] qui découle de la méthode DORT pourra être complémentaire. Elle permet d'améliorer la qualité de l'image en milieu complexe, en séparant diffusion simple et diffusion multiple, et donc potentiellement d'améliorer l'identification de la cible. Une autre piste à explorer est la combinaison avec l'imagerie par migration de phase en milieux hétérogènes [4]. 3- La conception d'un réseau de transducteurs optimisé pour la méthode 4- Le développement d'une application à fort potentiel : Au sein du département sont développées des pinces acoustiques qui permettent la caractérisation de tissus mous et la manipulation de petits objets. Elles reposent sur la génération d'un vortex acoustique focalisé et son utilisation à travers un milieu aberrant est aujourd'hui limitée. L'introduction de la méthode Self-EASE permettra la sélection des différents objets pour une manipulation sélective à travers une paroi ou autre milieu aberrant. Un cas d'application à fort enjeu est la manipulation de tissus à travers le crâne [5]. Une autre application à fort potentiel est la génération de sources volumiques de chaleur dans les matériaux non ferromagnétiques. De telles sources de chaleur pourraient ouvrir à une innovante tomographie infrarouge. [1] C. Prada and M. Fink, “Eigenmodes of the time reversal operator: A solution to selective focusing in multiple-target media,” Wave Motion, vol. 20, no. 94, pp. 151–163, 1994. [2] S. Rodriguez, X. Jacob, and V. Gibiat, “Selective focusing through target identification and experimental acoustic signature extraction: Numerical experiments,” Ultrasonics, vol. 68, pp. 8–16, 2016. [3] A. Aubry and A. Derode, “Detection and imaging in a random medium: A matrix method to overcome multiple scattering and aberration,” J. Appl. Phys., vol. 106, no. 4, 2009. [4] C. Jiang, Y. Li, K. Xu, and D. Ta, “Full-Matrix Phase Shift Migration Method for Transcranial Ultrasonic Imaging,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 68, no. 1, pp. 72–83, 2021. [5] S. Jiménez-Gambín, N. Jiménez, and F. Camarena, “Transcranial Focusing of Ultrasonic Vortices by Acoustic Holograms,” Phys. Rev. Appl., vol. 14, no. 5, p. 1, 2020.

The generation of controlled acoustic fields, particularly the focusing of ultrasound, has numerous applications: non-invasive medical treatment using high-intensity focused ultrasound (HIFU); remote manipulation of objects (acoustic tweezers); ultrasonic imaging in noisy environments; and the creation of heat sources for thermal characterization (sonothermography). The spatial precision of this focusing is a significant challenge. Classical methods fail when the mechanical properties of the medium are not precisely known. The refocusing properties of time reversal allow bypassing many limiting assumptions once the acoustic signature of the target is known. The DORT method [1] isolates the signatures of point-like scatterers in a medium with unknown properties. However, its practical implementation requires knowledge of the complete reflection matrix, and separating different contributions is difficult when the objects are sizable compared to the wavelength. The SelF-EASE method [2] developed in the laboratory can work with a single illumination of the medium and extract the acoustic signatures of objects identified in the ultrasound image, even with approximate knowledge of the medium's properties. Backpropagation of these signatures ensures precise focusing. The numerical experiments from [2] were recently confirmed by preliminary experimental results obtained through a 3D-printed human skull. These results show the strong potential of the method. The project focuses on: Improving usability and robustness: real-time implementation and use of multiple illuminations. Developing a hybrid method with other imaging techniques: SelF-EASE and DORT methods are based on very different heuristics, each with its advantages. Matrix imaging [3] derived from the DORT method can be complementary. It improves image quality in complex media by separating single and multiple scattering, potentially enhancing target identification. Another avenue to explore is combining it with phase migration imaging in heterogeneous media [4]. Designing an optimized transducer array for the method. Developing a high-potential application: Acoustic tweezers developed in the department allow the characterization of soft tissues and the manipulation of small objects. They rely on generating a focused acoustic vortex, but its use through an aberrant medium is currently limited. Introducing the SelF-EASE method will enable the selection of different objects for selective manipulation through a wall or other aberrant medium. A critical application is the manipulation of tissues through the skull [5]. Another high-potential application is generating volumetric heat sources in non-ferromagnetic materials. Such heat sources could lead to innovative infrared tomography. [1] C. Prada and M. Fink, “Eigenmodes of the time reversal operator: A solution to selective focusing in multiple-target media,” Wave Motion, vol. 20, no. 94, pp. 151–163, 1994. [2] S. Rodriguez, X. Jacob, and V. Gibiat, “Selective focusing through target identification and experimental acoustic signature extraction: Numerical experiments,” Ultrasonics, vol. 68, pp. 8–16, 2016. [3] A. Aubry and A. Derode, “Detection and imaging in a random medium: A matrix method to overcome multiple scattering and aberration,” J. Appl. Phys., vol. 106, no. 4, 2009. [4] C. Jiang, Y. Li, K. Xu, and D. Ta, “Full-Matrix Phase Shift Migration Method for Transcranial Ultrasonic Imaging,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 68, no. 1, pp. 72–83, 2021. [5] S. Jiménez-Gambín, N. Jiménez, and F. Camarena, “Transcranial Focusing of Ultrasonic Vortices by Acoustic Holograms,” Phys. Rev. Appl., vol. 14, no. 5, p. 1, 2020.