Ultrafast echographic imaging of the heart and the arteries in human : Towards the 3D ultrafast imaging and the ultrasound backscatter tensor imaging
Imagerie échographique ultrarapide du cœur et des artères chez l’homme : Vers l’imagerie ultrarapide 3D et l’imagerie du tenseur de rétrodiffusion ultrasonore
Résumé
In this thesis, we investigated various aspects of ultrafast ultrasound imaging of the cardiovascular system. First, we quantified the arterial stiffness with shear wave imaging and its dependence with stress, anisotropy and blood pressure. Thanks to experiments on an ex vivo horse artery and on in vivo rat arteries we measured the dependence with arterial pressure and arterial stiffness and were able to propose a method that quantifies non-invasively, the non-linear elastic parameter of arteries. In a second part, we have developed non-invasive ultrafast imaging of the human heart with coherent compounding of diverging waves. With this tool, we were able to visualize natural waves and to image shear waves in vivo in the human heart with increased sensitivity. In a third part, we have developed an original method to map the tissue microstructure that relies on the anisotropy of the spatial coherence of backscattered ultrasound from plane wave coherent compounding. With this method, we have successfully detected fiber directions ex vivo in anisotropic soft tissues such as the heart. Finally, we developed 3D ultrafast ultrasound imaging in real time, using a 2D matrix array probe with 1024 elements and a customized, programmable, 1024 channel ultrasound system. We successfully measured in 3D flow in vivo in the heart and the carotid artery, the propagation of pulse wave and shear wave in vivo and ex vivo respectively. The study of spatial coherence of backscattered field with the 2D matrix array enabled the mapping of the fibers in biological anisotropic soft tissues in entire 3D volumes.
Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux applications cardiovasculaires de l’imagerie échographique ultrarapide.Nous avons d’abord étudié les propriétés élastiques des parois artérielles par imagerie ultrarapide et palpation à distance et proposé une méthode pour mesurer de manière non-invasive les paramètres non-linéaires des artères chez l’homme en cours d’évaluation clinique. Nous avons ensuite développé l’imagerie ultrarapide non-invasive du cœur humain grâce à la sommation cohérente d’ondes divergentes émises par un transducteur ultrasonore d’imagerie transthoracique. Nous avons pu visualiser les ondes naturelles du cœur et imager les ondes de cisaillement in vivo dans un cœur humain, dans le but de cartographier l’activité électrique et l’élasticité du cœur respectivement.Dans une troisième partie, nous avons développé une méthode originale qui repose sur le critère de Van-Cittert Zernike et l’étude de la cohérence spatiale du champ rétrodiffusé en sommation cohérente d’onde plane, qui a permis d’imager l’orientation des fibres dans les tissus biologiques anisotropes et notamment dans le cœur. Enfin nous avons développé l’imagerie ultrarapide en 3D temps réel, en utilisant une sonde matricielle de 1024 éléments et un prototype d’échographe ultrarapide. Il nous a été possible de visualiser, les flux doppler du cœur et de la carotide ainsi que la propagation de l’onde de pouls et de l’onde de cisaillement, en imagerie ultrarapide 3D. L’étude de la cohérence spatiale du champ rétrodiffusé avec la sonde matricielle a finalement permis de cartographier en 3D la direction des fibres dans les tissus biologiques anisotropes.
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