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Domaine et contexte scientifiques :
L’amélioration de la qualité de l’image ultrasonore est un enjeu permanent. L'imagerie rapide (à plusieurs centaines ou milliers d’images par seconde) pour imager des organes en mouvement tels que le cœur, en trois dimensions est au cœur des préoccupations dans ce domaine de recherche. Creatis est largement impliqué dans ce type de travaux. Nous avons montré récemment en imagerie 2D que lorsque l’on remplace l’émission de pulses courts conventionnels par des codes plus longs mais disposant de caractéristiques particulières en particulier d’orthogonalité, un gain en temps d’acquisition d'images et en résolution spatiale sont possibles (thèse D. Bujoreanu). L’étape suivante consiste naturellement à porter ce type d’imagerie en 3D. Creatis possède le savoir-faire méthodologique et l'équipement matériel pour se relever les défis .
Mots-clefs :
Ultrasons, signaux orthogonaux, imagerie multi impulsions, imagerie par ondes planes, compression d’images
Objectifs de la thèse :
L'objectif principal de cette thèse est de fournir une méthode d'imagerie par ultrasons qui permette une bonne profondeur de pénétration dans le tissu sur un champ de vue 3D important et un taux d'acquisition d'images élevé. Pour cela, plutôt que d'émettre des ondes planes (tous les éléments émettent simultanément des signaux) avec différents angles de manière séquentielle, nous prévoyons de construire des signaux codés spécifiques à chaque élément. Ces codes permettront d’identifier, comme c’est le cas par imagerie en synthèse d’ouverture, l’ensemble des signaux correspondant à tous les couples émetteur-récepteur au niveau de la sonde. En plus d’une accélération de l’acquisition grâce à la transmission simultanée de ces codes on pourra bénéficier de la phase de compression des codes pour améliorer la résolution spatiale et de même atteindre des profondeurs plus importantes grâce à l’augmentation de l’énergie transmise par le biais de l’utilisation de codes.
Le second objectif est de rendre la méthode d’imagerie 3D par encodage proposée compatible avec les systèmes actuels comportant un nombre limité de canaux d’acquisition (<= 256) alors qu’une sonde 3D pleinement peuplée compte plus de 1000 éléments. Plusieurs configurations seront étudiées correspondant aux sondes parcimonieuses d’une part et au sonde adressées ligne / colonne d’autre part. Ces deux configurations devront être comparées quantitativement afin de proposer la meilleure configuration.
Verrous scientifiques :
Les différents écueils que devra lever cette thèse sont :
- La définition des codes orthogonaux et la compression des signaux. Combien de signaux différents pourront être sommés et permettre à la compression un rapport signal sur bruit acceptable ?
- La bande passante des codes émis risque d'être limitée. La technique REC (Resolution Enhancement Compression) sera alors utilisée.
- La grande cadence d'images, combinée avec des signaux codés long (Chirp) fond que l'énergie émise risque de dépasser les normes. Ce point devra être pris en compte.
- Le nombre de voies limitées contraint naturellement le nombre d’éléments. Plusieurs configurations d’éléments peuvent être testées et il faudra identifier si la combinaison de ces sondes avec peu d’éléments ou adressées lignes colonnes sont compatibles avec l’imagerie codée
Contributions originales attendues :
L'émission simultanée de signaux codés (Chirp), orthogonaux est originale.
De même, l'extension en 3D sera novatrice, seuls quelques rares laboratoires dans le monde disposent de la possibilité de coupler des échographes avec des sondes parcimonieuse ou adressées ligne colonne (association de 4 Verasonics) permettant l'accès aux données 3D.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée :
La première étape va consister à trouver un compromis entre un nombre maximum de signaux orthogonaux et l'apport de chacun lors de la compression pour produire l'image finale. Une étude bibliographique approfondie va être nécessaire pour définir le type des signaux à construire. La technique d'imagerie sera validée en simulation à l'aide de deux signaux orthogonaux. La prise en main des dispositifs ultrasonores et l'implantation de cette technique sur objet test fera l'objet de la première année. La comparaison entre sonde parcimonieuse et sonde adressée ligne colonne fera l’objet des travaux de deuxième année. L'implantation en 3D des mesures proposées, qui ne présente pas de réel verrou scientifique mais demeure couteuse en temps, fera l'objet de la 3ème année. Des jalons permettant de suivre l'avancée de la thèse seront placés sur chacun des objectifs et se traduiront par des publications et par le mémoire final.
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieur(s) éventuels
Une collaboration avec Roberto Lavarello du « Laboratorio de Imagenes Médicas » de PUCP au Pérou a été initiée. Des séjours de quelques mois dans son laboratoire sont envisagés.
Profil du candidat recherché (prérequis) :
Le candidat aura idéalement une formation d'ingénieur, ou équivalent, avec spécialisation signal, image et/ou acoustique. Des expériences ou compétences et intérêt dans le domaine médical seront appréciés
Références bibliographiques sur le sujet de thèse :
Oelze, M. L. Bandwidth and resolution enhancement through pulse compression. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 54(4), 2007.
Papadacci, C., Pernot, M., Couade, M., Fink, M., & Tanter, M. High-contrast ultrafast imaging of the heart. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 61(2), 288-301, 2014.
Y. Benane, et Basset, O. et al., « Experimental Implementation of a Pulse Compression Technique Using Coherent Plane-Wave Compounding », IEEE Transactions on UFFC, vol. 65, p. 1025 - 1036, 2018.
F. Lin, Cachard, C., Varray , F., et Basset, O., « Generalization of Multi-pulse Transmission Techniques for Ultrasound Imaging », Ultrasonic Imaging, vol. 37, p. 294-311, 2015.
Park, J., Huang, Y., Chen, R., Lee, J., Cummins, T. M., Zhou, Q., ... & Shung, K. K. Pulse inversion chirp coded tissue harmonic imaging (PI-CTHI) of zebrafish heart using high frame rate ultrasound biomicroscopy. Annals of biomedical engineering, 41(1), 41-52, 2013.