Elastographie : Prototype de sonde échographique dédié et estimation 3D du mouvement – Reconstruction des propriétés élastiques d’un tissu biologique
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Recrutement en cours/passé: 
Recrutement en cours
Periode: 
2018
Contact: 
Olivier Basset (olivier.basset@creatis.insa-lyon.fr) Elisabeth Brusseau (elisabeth.brusseau@creatis.insa-lyon.fr)

Objectifs de la thèse : Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des techniques dites d’élastographie, c’est-à-dire des techniques fournissant, via l’imagerie, des informations sur les propriétés mécaniques des tissus biologiques [1]. Ces techniques présentent un intérêt pour le diagnostic car les informations complémentaires qu’elles apportent peuvent aider à révéler le développement d’une pathologie. Il est par exemple bien connu que la cirrhose, maladie du foie, modifie de manière significative les propriétés mécaniques du tissu hépatique.

Plus précisément, ce sujet de recherche porte sur l’élastographie ultrasonore quasi statique [2], technique s’appuyant sur l’échographie et révélant au sein des tissus des zones de rigidités différentes (et donc d’éventuelles pathologies), en estimant localement la déformation de ces tissus lorsqu’ils sont soumis à une compression. En effet, sous l’action d’une même contrainte, une région se déformera d’autant moins qu’elle est plus rigide. L’estimation de la déformation est donc une étape cruciale puisque la cartographie résultante sert directement de support pour l’interprétation.

Lorsque l’on comprime un milieu biologique, il se déforme en 3D et pouvoir estimer précisément la déformation nécessite de prendre en compte le mouvement 3D des tissus. Les sondes échographiques classiquement utilisées lors des examens ne délivrent généralement qu’un seul plan d’imagerie et ne permettent donc pas d’accéder au mouvement dit « hors plan », i.e. au déplacement perpendiculaire au plan d’imagerie. Il existe des sondes commerciales dédiées à l’imagerie volumique, qui acquièrent un volume en animant la barrette de transducteurs piézoélectriques d’un mouvement de rotation et en acquérant des plans pour différentes positions angulaires. Outre la géométrie de l’acquisition qui n’est pas nécessairement celle souhaitée, l’utilisation de ces sondes – en raison de leurs dimensions et de la durée d’acquisition d’un volume – peut réduire la flexibilité de l’examen élastographique, où le radiologue doit pouvoir, librement, déplacer la sonde et appliquer une compression. Le premier objectif de la thèse est donc de préserver la flexibilité de l’examen élastographique tout en fournissant des résultats plus précis. L’idée est donc toujours de produire des élastogrammes 2D mais issus d’une estimation 3D du mouvement.

De plus, parce que les champs de contraintes sont inaccessibles, l’élastographie ultrasonore quasi statique ne délivre que des images de déformation et non des propriétés élastiques (ex : module d’Young, de cisaillement). Si nombre d’études ont montré l’intérêt de cette technique pour discriminer des zones rigides, par exemple des nodules, entourées de tissus sains [3], elle n’est cependant pas adaptée pour des pathologies se traduisant par une atteinte diffuse de l’organe. Le second objectif est donc d’étudier si de nouvelles approches peuvent permettre d’accéder aux propriétés mécaniques des tissus.

 

Verrous scientifiques : les deux verrous scientifiques à lever sont donc les suivants.

  1. Prendre en compte le mouvement tissulaire hors plan lors du calcul de l’élastogramme, à partir d’une acquisition adaptée des données ultrasonores radiofréquences.
  2. Pouvoir accéder aux propriétés élastiques des milieux sans connaissance des champs de contraintes.

 

Contributions originales attendues : Les contributions attendues sont d’une part une acquisition spécifique, via l’utilisation d’une sonde prototype, ne comportant que quelques plans d’imagerie mais permettant de prendre en compte le mouvement tissulaire hors plan lors du calcul des élastogrammes.  

La seconde contribution est l’obtention de cartographies des propriétés élastiques des tissus dans le cadre du régime quasi statique, donc sans nécessité de générer une onde de cisaillement.

 

Programme de recherche et démarche scientifique proposée : Concernant l’acquisition spécifique pour la prise en compte du mouvement hors plan lors de l’examen élastographique, les développements s’appuieront sur de premiers travaux déjà réalisés. En effet, une sonde prototype permettant d’acquérir trois plans d’imagerie adjacents a été développée [4-5]. Il s’agit de tout premiers travaux et une évaluation rigoureuse de ce prototype est nécessaire afin de déterminer si des modifications doivent être apportées et lesquelles, ainsi que leur apport dans la réalisation des élastogrammes. L’évaluation du prototype sera réalisée expérimentalement par comparaison des élastogrammes obtenus avec ce prototype et avec une acquisition classique (1 seul plan d’imagerie). Les expériences seront réalisées pour différentes configurations en s’intéressant en particulier à la situation reproduisant le glissement hors plan d’une lésion sous compression. Une analyse concernant des paramètres spécifiques, comme la distance séparant deux plans d’imagerie, sera réalisée afin de déterminer si des modifications ou des ajustements sont nécessaires.

Pour la reconstruction des propriétés mécaniques, nous allons nous intéresser à la méthode des champs virtuels [6]. Cette technique repose sur le principe des travaux virtuels et consiste à choisir une loi de comportement pour le milieu, afin de s’affranchir des termes de contraintes (ainsi remplacés par des termes, fonction des déformations). Dans le cadre de ces premiers travaux, nous nous intéresserons au milieu élastique linéaire et isotrope. Un champ virtuel donné conduit à une équation impliquant les paramètres de la loi de comportement et la méthode revient donc à résoudre un système d’équations pour déterminer la valeur de ces paramètres.

La méthode développée sera testée sur des simulations ainsi que sur des fantômes, pour lesquels une caractérisation via des essais mécaniques aura été au préalable effectuée.

 

Profil du candidat recherché : Le/la candidat(e) aura reçu une formation substantielle en traitement du signal et de l’image. Des connaissances en mécanique seraient un plus. Un bon niveau d’anglais est également requis. Le/la candidat(e) devra à la fois mener des développements théoriques et expérimentaux.

 

Références bibliographiques sur le sujet de thèse:

[1] K.J. Parker, M.M. Doyley, D.J. Rubens, “Imaging the elastic properties of tissue: the 20 year perspective”, Phys Med Biol, vol. 56, pp. R1–R29, 2011.

[2] T. Varghese, “Quasi-Static Ultrasound Elastography,” Ultrasound Clin, vol.4, pp. 323–338, 2009.

[3] A. Itoh, E. Ueno, E. Tohno, H. Kamma, H. Takahashi, T. Shiina, M. Yamakawa, T. Matsumura, “Breast disease: Clinical application of US elastography for diagnosis”, Radiology, vol. 239, pp. 341–350, 2006.

[4] E. Brusseau, A. Bernard, C. Meynier, P. Chaudet, V. Detti, G. Férin, O. Basset, A. Nguyen-Dinh, “Specific ultrasound data acquisition for tissue motion and strain estimation: initial results”, Ultrasound Med Biol, vol. 43, pp. 2904-2913, 2017.

[5] E. Brusseau, A. Bernard, C. Meynier, G. Férin, A. Nguyen-Dinh, O. Basset, “5x128-element array transducer for elevational motion consideration in strain imaging,” in Proc IEEE Int Ultrason Symp 2017, Washington, Etats-Unis, 6-9 Septembre 2017.

[6] N. Connesson, E.H. Clayton, P.V. Bayly, F Pierron, « Extension of the optimised virtual fields method to estimate viscoelastic material parameters from 3D dynamic displacement fields”, Strain, vol. 51, pp. 110-134, 2015.