Elastographie − Etude et mise en œuvre d’impulsions ultrasonores spécifiques et des champs virtuels pour l’analyse des propriétés élastiques des tissus biologiques
Recrutement: 
Recrutement en cours/passé: 
Recrutement en cours
Periode: 
2019-2022
Contact: 
elisabeth.brusseau@creatis.insa-lyon.fr olivier.basset@creatis.insa-lyon.fr

Mots-clefs : Elastographie, échographie, impulsions ultrasonores, estimation, champs virtuels. 

 

Contexte et objectifs de la thèse :

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des techniques dites d’élastographie, i.e. 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 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. Plus précisément, ce sujet porte sur l’élastographie ultrasonore quasi statique [2], technique produisant, à partir du traitement numérique des données ultrasonores radiofréquences, des cartographies de la déformation d’un milieu assujetti à une compression lente. Bien que l’information fournie se limite généralement à la déformation, cette technique s’est déjà avérée d’intérêt pour distinguer des zones de rigidités différentes au sein d’un tissu [3,4], car sous l’action d’une même contrainte, une région se déforme d’autant moins qu’elle est plus rigide.

L’élastographie ultrasonore quasi statique implique donc une déformation lente de la zone tissulaire que l’on souhaite analyser. Lors de l’examen d’un patient, cette déformation est typiquement réalisée par le radiologue, qui comprime lentement le milieu avec la sonde échographique. La contrainte résultante au sein du milieu n’est pas uniforme. Par exemple, une décroissance de la contrainte peut être observée avec la profondeur, conduisant à une plus faible déformation des tissus éloignés de la sonde échographique. De plus, des variations locales de la contrainte entraînent une modification du contraste d’élasticité perçu en cette région. Afin d’obtenir des cartographies reflétant de manière plus précise l’élasticité (ou le contraste d’élasticité) du milieu, deux approches distinctes vont être étudiées, l’une agissant sur l’acquisition et l’autre comme post-traitement sur des données acquises de manière classique. Les objectifs de la thèse sont donc les suivants :

1-           Etude d’impulsions ultrasonores spécifiques permettant à la fois d’imager et de déformer le milieu, sans déplacement de la sonde;

2-           Etude de la méthode des champs virtuels pour la reconstruction des propriétés mécaniques d’un milieu.

 

Programme de recherche

Etude d’impulsions ultrasonores spécifiques.

Dans ce sujet de recherche, nous proposons d'étudier la possibilité d'utiliser de nouvelles impulsions ultrasonores spécifiques qui effectuent une imagerie du milieu tout en produisant une déformation tissulaire. En particulier, des signaux d’émission composés de deux impulsions ultrasonores à deux fréquences différentes seront étudiés: une composante basse fréquence servira de source de compression/décompression du milieu et une impulsion haute fréquence, superposée à la composante basse fréquence, agira comme signal d’imagerie. Pour ce projet, nous allons exploiter les avantages d'un échographe, le Ula-Op (Ultrasound Advanced Open Platform), qui permet à l’utilisateur de définir des signaux d'émission ultrasonores spécifiques. Le design des impulsions (choix des fréquences, durée des signaux, amplitudes …) fera l’objet d’une étude approfondie. La déformation produite devra être suffisante pour être estimée. Une difficulté potentielle porte sur la mise en œuvre de ces impulsions ultrasonores si la différence de fréquences entre les deux composantes est supérieure à la bande passante des sondes échographiques dont nous disposons. Dans ce cas, une source basse fréquence externe synchronisée devra être utilisée. L’image obtenue avec une impulsion spécifique sera ensuite comparée à une image de référence (par exemple, sans composante basse fréquence) et la déformation locale pourra ainsi être estimée.

Avec cette technique, les valeurs absolues (en kPa) des modules d’élasticité ne seront pas accessibles, mais la cartographie résultante devrait refléter de manière plus précise les variations d’élasticité au sein du milieu. Or, le rapport d’élasticité (approximé par le rapport inverse des déformations en élastographie ultrasonore quasi statique) entre une lésion et les tissus environnants est l’un des critères utilisés pour différencier les lésions bénignes des lésions malignes [5].

Il est également important de noter qu’avec cette approche, l’application d’une compression par l’opérateur n’est plus à effectuer, puisque c’est l’impulsion ultrasonore elle-même qui induit la déformation du milieu. Enfin, cette méthode, destinée à produire des cartographies de déformation avec une plus grande maîtrise de la contrainte appliquée, est différente des techniques d’élastographie utilisant les ondes de cisaillement. En particulier, elle n’exige pas l’utilisation d’un échographe à cadence d’imagerie élevée.

 

Etude de la méthode des champs virtuels

Pour la reconstruction des propriétés mécaniques ou du contraste mécanique, 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. Dans le cadre de ces premiers travaux, nous nous intéresserons au milieu élastique linéaire et isotrope.  La méthode développée sera évaluée à l’aide de données simulées ainsi que sur des fantômes, pour lesquels une caractérisation via des essais mécaniques aura été au préalable effectuée. Il doit être précisé que cette approche peut également être appliquée à des champs de déplacements obtenus en élastographie dynamique, utilisant les ondes de cisaillement, par exemple en élastographie par résonance magnétique [7,8].

 

Références bibliographiques :

[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, V. Detti, A. Coulon, E. Maissiat, N. Boublay, Y. Berthezène, J. Fromageau, N. Bush, J. Bamber, “In vivo response to compression of 35 breast lesions observed with a two-dimensional locally regularized strain estimation method”, Ultrasound Med Biol, vol. 40, pp. 300−312, 2014.

[5] N. Cho, W.K. Moon, H.Y. Kim, J.M. Chang, S.H. Park, C.Y. Lyou, “Sonoelastographic strain index for differentiation of benign and malignant nonpalpable breast masses”,  J Ultrasound Med, vol. 29, pp. 1-7, 2010.

[6]  M. Grédiac, E. Toussaint, F. Pierron, “Principe de la méthode des champs virtuels avec champs spéciaux », Mécanique & Industries, vol. 4, pp. 679-686, 2003.

[7] F. Pierron, P.V. Bayly, R. Namani, “Application of the virtual fields method to magnetic resonance elastography data”, Proceedings of the 2010 SEM Annual Conference, pp. 135-142.

[8] 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.

 

 

Lieu de la recherche :

Le/la candidat(e) travaillera au sein de l’équipe Imagerie Ultrasonore du laboratoire CREATIS sur le campus LyonTech La Doua à Villeurbanne.

 

Profil du candidat recherché (prérequis) : 

Le/la candidat(e) aura reçu une formation substantielle en traitement du signal et de l’image. Des connaissances en mécanique/acoustique 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.

 

Pour candidater :

Envoyez CV + lettre de motivation + relevés de notes pour les 3 dernières années à :

elisabeth.brusseau@creatis.insa-lyon.fr

olivier.basset@creatis.insa-lyon.fr