Matrix approach for ultrasound imaging and quantification
Approche matricielle de l’imagerie et de la quantification ultrasonore
Résumé
Ultrasound imaging relies on two major assumptions. First, the medium is considered as homogeneous with a constant speed of sound. Second, the back-scattered wave-field only contains singly-scattered echoes. Nonetheless, the speed of sound varies greatly in different tissues. These fluctuations give rise to a distortion of the incident and back-scattered wave-fronts. Moreover, multiple scattering events can also occur between the scatterers of the medium. This multiple scattering contribution manifests itself as an incoherent background noise in the RF signal. Those two undesirable effects, namely aberrations and multiple scattering, thus lead to a loss of resolution and contrast in the ultrasound image.Conventional ultrasound imaging techniques rely on arrays of transducers that can be individually controlled to emit or receive ultrasonic waves. State-of-the-art ultrasound images are based on a confocal method that consists in a double focusing, both in transmit and in receive, on each point of the medium corresponding to one pixel of the image. In this thesis, we propose a matrix approach of ultrasound imaging that basically consists in splitting the locations of the transmit and receive focal spots. This process gives access to the impulse responses between virtual transducers located within the medium at each pixel location. This set of responses form a so-called focused reflection matrix that contains all the available information on the medium under investigation. Besides describing all the current ultrasound imaging methods under a matrix formalism, matrix imaging is able to take up several challenges: (i) quantify and enhance the ultrasound image quality via a local focusing criterion and a matrix aberration correction; (ii) develop novel quantitative imaging modes by building maps of the speed-of-sound and of a multiple-scattering-rate that may constitute relevant biomarkers for ultrasound diagnosis; (iii) characterize locally the nature and anisotropy of the scatterers via their frequency response and radiation pattern.More generally, this work falls into a larger framework, which aims to develop a universal matrix approach that can be applied to any type of waves where multiple sensors can be used to shape incident wave-fronts and analyze reflected ones. This thesis describes this matrix approach in the ultrasound imaging context and paves the way towards a quantitative ultrasound imaging of soft tissues.
L’échographie est basée sur deux hypothèses fondamentales. D’une part, la vitesse du son est considérée comme constante dans le milieu de propagation. D’autre part, les échos rétrodiffusés par les diffuseurs du milieu sont issus de phénomènes de diffusion simple. En réalité, ces hypothèses ne sont pas toujours vérifiées : des variations de vitesse du son entre les différents tissus sondés peuvent induire de fortes distorsions du front d'onde (aberrations) et des évènements de diffusion multiple peuvent survenir entre les réflecteurs du milieu. Ces deux phénomènes indésirables conduisent à une perte de résolution et de contraste de l’image échographique.En échographie conventionnelle, les ondes ultrasonores sont générées et mesurées depuis un réseau de transducteurs piézo-électriques dont on peut contrôler de manière indépendante chacun des éléments. L’image échographique résulte d’une double focalisation simultanée, en entrée et sortie, des ondes ultrasonores en chaque point du milieu à imager. L’échographie matricielle, mise au point au cours de cette thèse, consiste au contraire à séparer les points de focalisation à l’émission et à la réception et ainsi mesurer les réponses du milieu entre ces transducteurs virtuels dont la position correspond à chaque pixel de l’image. L’ensemble de ces réponses forment une matrice de réflexion focalisée. A partir de cette matrice, une nouvelle approche de l’imagerie ultrasonore a été développée afin de tirer profit de toute l’information disponible sur le milieu étudié. En plus de pouvoir décrire sous un formalisme matriciel l’ensemble des techniques d’imagerie ultrasonore actuelles, l’imagerie matricielle a été développée en poursuivant plusieurs objectifs : (i) Améliorer et quantifier la qualité des images échographiques en corrigeant de manière locale les aberrations ; (ii) Caractériser localement le milieu de propagation en dressant une cartographie de sa vitesse du son et du taux de diffusion multiple ; (iii) Caractériser localement la nature et l’anisotropie des diffuseurs en étudiant leur réponse spectrale et leur diagramme de rayonnement.Ce travail s’inscrit dans un cadre plus large dont l’objectif est de développer une approche matricielle de l’imagerie commune à tous les domaines de la physique des ondes pour lesquels un ensemble de capteurs peuvent être utilisés pour sonder le milieu à imager. Ce manuscrit décrit le développement de cette imagerie matricielle dans le contexte ultrasonore avec l’élaboration de nouveaux contrastes permettant une imagerie quantitative des tissus sondés en échographie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)