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Le rythme thêta est un rythme cérébral associé à l’activité locomotrice et au sommeil paradoxal. Bien que son implication dans la communication entre régions du cerveau et processus mnésiques ait largement été démontrée, il persiste un manque de données extensives dû à la difficulté d’imager l’ensemble de l’activité cérébrale dans des conditions naturelles de locomotion et d’exploration. Dans cette thèse, j’ai développé une approche qui combine l’enregistrement des potentiels de champs locaux à l’imagerie ultrasonore fonctionnelle (fUS) sur l’animal en mouvement libre. Pour la première fois, j’ai pu révéler les réponses hémodynamiques associées au rythme thêta dans la plupart des structures du système nerveux central avec de bonnes résolutions spatiale (100 x 100 x 400 μm) et temporelle (200 ms). Pendant la locomotion et le sommeil, les variations hémodynamiques de l’hippocampe, du thalamus dorsal et du cortex (rétrosplenial, somatosensoriel) corrèlent fortement avec la puissance instantanée du signal thêta hippocampique, avec un décalage temporel variant de 0.7 s à 2.0 s selon les structures. De manière intéressante, les rythmes gamma hippocampiques moyen (55-95 Hz) et rapide (100-150 Hz) expliquent la variance des signaux hémodynamiques mieux que le seul rythme thêta, alors que le rythme gamma lent (30-50 Hz) est non pertinent. L’hyperémie fonctionnelle de l’hippocampe suit séquentiellement la boucle tri-synaptique (gyrus denté - région CA3 - région CA1) et se renforce considérablement à mesure que la tâche progresse. Lors du sommeil paradoxal, j’ai observé une hyperémie tonique globale ainsi que des activations phasiques de grande amplitude initiées dans le thalamus et terminant dans les aires corticales, que nous avons appelées “poussées vasculaires”. De fortes bouffées d’activité gamma rapide (100-150 Hz) précèdent de manière robuste ces poussées vasculaires, l’inverse n’étant pas vrai. Dans l’ensemble, ces résultats révèlent la dynamique spatio-temporelle des signaux hémodynamiques associés à la locomotion et au sommeil paradoxal et suggèrent un lien fort entre rythmes thêta, gamma rapide et activité vasculaire globale

Theta rhythm is a prominent oscillatory pattern of EEG strongly associated with active locomotion and REM sleep. While it has been shown to play a crucial role in communication between brain areas and memory processes, there is a lack of extensive data due to the difficulty to image global brain activity during locomotion behavior. In this thesis, I developed an approach that combines local field potential recordings (LFP) and functional ultrasound imaging (fUS) to unrestrained rats. For the first time, I could image the hemodynamic responses associated with theta rhythm in most central nervous system (CNS) structures, with high spatial (100 x 100 x 400 μm) and temporal (200 ms) resolutions. During running and REM sleep, hemodynamic variations in the hippocampus, dorsal thalamus and cortices (S1BF, retrosplenial) correlated strongly with instantaneous theta power, with a delay ranging from 0.7…

Advisors/Committee Members: Cauli, Bruno (thesis director), Cohen, Ivan (thesis director).

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Suite à l’émergence de protocoles d’hypofractionnement à visée curative comportant un risque accru de toxicité, il devient fondamental d’arriver à augmenter la précision dans la délivrance de la dose. Les mouvements internes entre et pendant les séances d’irradiation peuvent devenir un facteur limitant majeur pour la qualité de l’irradiation des localisations tumorales mobiles. C’est le cas pour le cancer de la prostate pour lequel l’hypofractionnement est une voie prometteuse bien qu’il existe un risque élevé de toxicité digestive. Lors de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la quantification et correction des mouvements du volume cible irradié dans le cadre d’une radiothérapie pour un cancer de la prostate sans ou après ablation totale de la glande. Nous avons étudié un nouveau système d’imagerie basé sur la modalité ultrasons (US) permettant de visualiser la zone pelvienne grâce à deux voies d’acquisition : transabdominale (TA) et transpérinéale (TP). Contrairement aux systèmes US précédemment commercialisés, les mouvements entre les séances de simulation et de traitement (mouvements interfractions) sont quantifiés par recalage monomodal US/US. De plus, des images acquises avec la sonde TP en continu pendant l’irradiation permettent de quantifier les mouvements intrafractions du volume cible. Nous avons proposé une méthodologie d’évaluation des deux sondes US-TA et US-TP pour la correction des mouvements interfractions, en conditions cliniques. Les données US ont été comparées à celles obtenues par tomodensitométrie (CBCT), actuelle modalité de référence. De plus, nous avons quantifié pour la première fois les incertitudes liées à l’impact de la pression de la sonde sur la localisation du volume cible, et à la variabilité inter-opérateur du recalage manuel US/US. Nous avons observé pour la sonde TA une faible concordance entre les mouvements interfractions mesurés par US et CBCT, ainsi qu’une variabilité importante de la pression exercée par la sonde et du recalage manuel entre les opérateurs. Pour la sonde TP, nous avons proposé une méthode corrective de la localisation de l’image US de référence qui nous a permis de valider son utilisation en clinique. Les données recueillies avec la sonde TP ont montré une importante variation des amplitudes et fréquences des mouvements intrafractions, parfois supérieurs à 15mm, entre les patients et d’une séance à l’autre pour un même patient. Nous avons proposé une étude dosimétrique des conséquences de ces déplacements et ainsi démontré que l’impact sur la dose délivrée au volume cible est patient-dépendant, et est plus important lorsque le traitement est délivré avec une stratégie d’hypofractionnement. Nous avons démontré dans cette étude la faisabilité de l'implémentation clinique de la technique US-TP qui permet un repositionnement quotidien en début de séance sans dose additionnelle ou marqueurs invasifs, et la correction de la position du volume cible pendant l’irradiation.

The emergence of hypofractionated treatments implies an increase of precision on the…

Advisors/Committee Members: Sarrut, David (thesis director).

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La conception des sondes ultrasonores pour l’imagerie médicale est traditionnellement basée sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques. Depuis quelques années, est apparue la technologie des CMUTs, (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Ces microsystèmes électromécaniques se présentent comme une alternative attractive à la piézoélectricité, offrant la possibilité d’explorer de nouveaux designs de sonde, et d’expérimenter de nouveaux modes d’imagerie. Ce travail s’inscrit dans une dynamique de développement et d’évaluation des sondes CMUTs, de la modélisation à la démonstration par l’image. Des transducteurs multi-éléments CMUTs ont ainsi été conçus, et des prototypes de sondes d’échographie finalisés ont pu être réalisés, ce en adaptant les développements à la transduction capacitive et aux systèmes d’imagerie conventionnels. Leurs comportements électroacoustiques et acoustiques ont été étudiés et comparés à des sondes standards. Finalement, des démonstrations par l’image ont été apportées, et les points forts de cette technologie pour l’imagerie médicale ont pu être établis.

Fabrication of ultrasound probes for medical imaging conventionally exploits piezoelectric based materials. CMUTs technology (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) has emerged about a decade ago. These electromechanical micro-systems are presented as an alternative transduction mode, and gives new opportunities for probe design and novel imaging techniques. This dissertation aims to develop and review CMUTs probes for ultrasound imaging, from modeling to imaging demonstration. Multi-elements transducers with CMUT technology have been thus developed, and ultrasound probes were successfully achieved. Developments have been carried out, taking care of both capacitive transduction and standard ultrasound systems. Electro-acoustic and acoustic behavior were evaluated and compared to the state of the art piezoelectric probes. Finally, quantitative imaging assessments have been performed and have pointed out the strengths of CMUT technology for ultrasound imaging

Advisors/Committee Members: Certon, Dominique (thesis director).

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Les systèmes d’imagerie médicale ultrasonore ont considérablement amélioré le diagnostic clinique par une meilleure qualité des images grâce à des systèmes plus sensibles et des post-traitements. La communauté scientifique de l’imagerie ultrasonore a consenti à un très grand effort de recherche sur les posttraitements et sur le codage de l’excitation sans s’intéresser, outre mesure, aux méthodes de commandeoptimale. Ce travail s’est donc légitimement tourné vers les méthodes optimales basées sur l’utilisationd’une rétroaction de la sortie sur l’entrée. Pour rendre applicable ces méthodes, ce problème complexe decommande optimale a été transformé en un problème d’optimisation paramétrique sous-optimal et plussimple. Nous avons appliqué ce principe au domaine de l’imagerie ultrasonore : l’échographie, l’imagerieharmonique native et l’imagerie harmonique de contraste avec ou sans codage de la commande.La simplicité de l’approche nous a permis, par une modification de la fonction de coût, de l’adapter àl’imagerie harmonique. Cette adaptation montre que la méthode peut être appliquée à l’imagerie ultrasonoreen générale.

Medical ultrasound imaging systems have greatly improved the clinical diagnosis by improvingthe image quality thanks to more sensitive systems and post-processings. The scientific community has madea great effort of research on post-processing and on encoding the excitation. The methods of the optimalcontrol have been neglected. Our work has focused on the optimal methods based on the feedback fromoutput to input. We have transformed the complex problem of optimal control into an easier suboptimalparametric problem. We apply the principle of optimal control to the ultrasound imaging, the ultrasoundharmonic imaging and to the constrast harmonic imaging with or without encoding.The simplicity of the method has allowed us to adapt it to harmonic imaging by a change in the costfunction. This adaptation shows that our method can usually be applied to the ultrasound imaging.

Advisors/Committee Members: Girault, Jean-Marc (thesis director), Ouahabi, Abdeldjalil (thesis director).

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L'imagerie ultrasonore (US) permet de réaliser des examens médicaux non invasifs avec des méthodes d'acquisition rapides à des coûts modérés. L'imagerie cardiaque, abdominale, fœtale, ou mammaire sont quelques-unes des applications où elle est largement utilisée comme outil de diagnostic. En imagerie US classique, des ondes acoustiques sont transmises à une région d'intérêt du corps humain. Les signaux d'écho rétrodiffusés, sont ensuite formés pour créer des lignes radiofréquences. La formation de voies (FV) joue un rôle clé dans l'obtention des images US, car elle influence la résolution et le contraste de l'image finale. L'objectif de ce travail est de modéliser la formation de voies comme un problème inverse liant les données brutes aux signaux RF. Le modèle de formation de voies proposé ici améliore le contraste et la résolution spatiale des images échographiques par rapport aux techniques de FV existants. Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur des méthodes de FV en imagerie US. Nous avons brièvement passé en revue les techniques de formation de voies les plus courantes, en commencent par la méthode par retard et somme standard puis en utilisant les techniques de formation de voies adaptatives. Ensuite, nous avons étudié l'utilisation de signaux qui exploitent une représentation parcimonieuse de l'image US dans le cadre de la formation de voies. Les approches proposées détectent les réflecteurs forts du milieu sur la base de critères bayésiens. Nous avons finalement développé une nouvelle façon d'aborder la formation de voies en imagerie US, en la formulant comme un problème inverse linéaire liant les échos réfléchis au signal final. L'intérêt majeur de notre approche est la flexibilité dans le choix des hypothèses statistiques sur le signal avant la formation de voies et sa robustesse dans à un nombre réduit d'émissions. Finalement, nous présentons une nouvelle méthode de formation de voies pour l'imagerie US basée sur l'utilisation de caractéristique statistique des signaux supposée alpha-stable.

Ultrasound (US) allows non-invasive and ultra-high frame rate imaging procedures at reduced costs. Cardiac, abdominal, fetal, and breast imaging are some of the applications where it is extensively used as diagnostic tool. In a classical US scanning process, short acoustic pulses are transmitted through the region-of-interest of the human body. The backscattered echo signals are then beamformed for creating radiofrequency(RF) lines. Beamforming (BF) plays a key role in US image formation, influencing the resolution and the contrast of final image. The objective of this thesis is to model BF as an inverse problem, relating the raw channel data to the signals to be recovered. The proposed BF framework improves the contrast and the spatial resolution of the US images, compared with the existing BF methods. To begin with, we investigated the existing BF methods in medical US imaging. We briefly review the most common BF techniques, starting with the standard delay-and-sum BF method and emerging to the…

Advisors/Committee Members: Basarab, Adrian (thesis director), Kouamé, Denis (thesis director).

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Les produits de contraste ultrasonore ont considérablement fait évoluer la pratique de l’imagerie échographique. Composés de microbulles de gaz, capables de circuler dans le sang, ils ont facilité la visualisation de la perfusion tissulaire et le diagnostic de tumeurs cancéreuses. L’efficacité d’un agent de contraste se définit par sa capacité à rehausser le signal ultrasonore. La lecture de ce signal a nécessité la mise en place de séquences d’imagerie spécifiques, lesquelles exploitent les composantes non linéaires émises par les microbulles, et plus particulièrement le second harmonique. Néanmoins, l’exploitation du second harmonique pâtit de la propagation non linéaire des ultrasons dans les tissus, réduisant ainsi la discrimination entre les tissus et les zones pathologiques. Depuis quelques années, différents groupes de recherche tentent d’isoler d’autres harmoniques. La composante sous-harmonique apparaît comme une alternative intéressante et offrent de nombreux avantages : parmi ceux-ci, notons tout particulièrement la moindre atténuation du signal et l’absence de génération de composantes sous-harmoniques par propagation non linéaire.

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Advisors/Committee Members: Bouakaz, Ayache (thesis director).

▼ Les arbres urbains jouent un rôle écologique, sanitaire et esthétique majeur dans les villes modernes. L’évaluation des risques associés aux arbres dans les villes est essentiellement visuelle, alors que l'ampleur des dégâts internes et le danger associé ne peuvent pas être évalués avec précision par la seule observation. La tomographie par ultrasons pour la détection de la décomposition du bois dans les arbres vivants a été évaluée dans plusieurs études ; les auteurs ont indiqué que cette technique est appropriée pour l’évaluation de la qualité des arbres sur pied. Cependant, cette technique telle qu’utilisée actuellement présente quelques inconvénients : l'effet de l’anisotropie du bois dans la reconstruction de l’image n’est pas pris en compte (l’image obtenue est biaisée) ; la mesure de la vitesse de propagation est imprécise (nécessité de répéter les essais). Afin d’améliorer la tomographie par ultrasons, il est nécessaire de prendre en compte la complexité du matériau bois et de développer des techniques de traitement du signal et de reconstruction d'image adaptées à cette complexité.Une étude a été réalisée pour déterminer les paramètres du signal ultrasonore d'excitation, tels que la forme, la durée et la réponse en fréquence ; puis pour sélectionner une technique de détermination du TOF. Parmi toutes les configurations, celle qui présentait le moins de variations sur les mesures de TOF était la combinaison d’un signal « chirp » (signal modulé en fréquence autour d’une fréquence porteuse) avec la méthode de corrélation croisée.Un modèle numérique a ensuite été développé, avec l’équation de Christoffel, pour simuler la propagation des ondes dans le bois et déterminer le temps de propagation (TOF) de l’onde. La méthode de « raytracing » a été utilisée pour ce modèle. L'anisotropie dans le plan radial-tangentiel du bois modifie la forme des fronts d'onde par rapport au cas d’un matériau isotrope. Les rayons entre émetteur et récepteur sont courbes. Afin de comparer et de valider les résultats obtenus avec l'approche « raytracing », la méthode des éléments finis (FEM) a été utilisée pour modéliser la propagation des ondes élastiques dans le bois. Le modèle FEM a abouti à des estimations des TOF très proches de celles obtenues avec l'approche « raytracing ». Une validation expérimentale du modèle « raytracing » a été effectuée sur des disques de deux essences. Des défauts dans le tronc ont été créés en perçant des trous. Ces défauts ont été testés dans deux positions (centrée et excentrée). Les expériences réalisées ont permis d’obtenir des profils de temps de propagation similaires à ceux obtenus par le modèle numérique.Une méthode de reconstruction d'image tomographique 2D adaptée au bois a été développée. La méthode proposée prend en compte l'orthotropie locale du matériau avec une géométrie cylindrique ; c’est un processus itératif qui reconstruit à la fois les rayons de propagation et les propriétés intrinsèques locales du matériau. Quatre configurations numériques ont été testées représentant des cas réels… Advisors/Committee Members: Brancheriau, Loïc (thesis director).

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Dans le domaine de l'imagerie médicale ultrasonore, la connaissance du déplacement du milieu imagé est une donnée clinique très importante dans de nombreux examens, parmi lesquels nous pouvons citer les examens Doppler ou les examens d'élastographie. Dans la littérature, les deux principales familles de méthodes permettant d'estimer le déplacement sont les méthodes de mise en correspondance de blocs et les méthodes Doppler. Les méthodes de mise en correspondance de blocs estiment le déplacement en comparant des vignettes prises dans les images ultrasonores avant et après déplacement. Elles dépendent donc de la méthode utilisée pour former les images. Les méthodes Doppler mesurent quant à elles le déplacement suivant une direction particulière, ce qui limite leur gamme d'utilisation à l'estimation de champs de déplacements simple. Dans cette thèse, nous avons proposé un formalisme, ainsi que trois méthodes, permettant d'estimer le déplacement 2D directement à partir de ces signaux bruts. Cette approche permet de s'affranchir de la dépendance envers la méthode de formation d'images, tout en permettant l'estimation de champs complexes. Nous avons mis en évidence le concept de vecteur normal, liant le déplacement réel de milieu aux décalages temporels de long des signaux bruts. Le formalisme général est appliqué à plusieurs séquences ultrasonores: la première méthode d'estimation utilise des signaux acquis à l'aide d'éléments uniques de la sonde; la deuxième est basée sur l'utilisation d'ondes planes et la troisième méthode s'appuie sur une séquence utilisant des faisceaux focalisés. Les méthodes d'estimation directe du mouvement ont été validées en simulation et expérimentalement, et leurs performances ont été comparées à une méthode de référence: la mise en correspondance de blocs. Les méthodes proposées améliorent significativement la précision de l'estimation du champ de déplacement par rapport à la méthode standard, en atteignant une précision de 1.5µm dans la direction transverse et une précision de 2.5µm dans la direction axiale pour une fréquence de travail de 5MHz. Nous avons également développé une méthode de formation d'images améliorant la résolution spatiale. Cette méthode utilise les spectres de signaux RF acquis avec des ondes planes pour former le spectre de l'image ultrasonore. Elle fournit les images utilisées par la méthode d'estimation du mouvement de référence.

In the field of medical ultrasound imagery, the knowledge of displacement is an important input for many clinical exams, including color Doppler and elastography. In the literature, the two main way proposed for solving the displacement field estimation are blockmatching techniques and Doppler methods. Blockmatching techniques try to match part of images acquired before and after the displacement and depends on the way those images where created. On the other hand, Doppler methods only estimate displacement along a fixed direction. In this thesis, we proposed three methods that can be used to estimates directly the motion field from raw RF…

Advisors/Committee Members: Delachartre, Philippe (thesis director), Liebgott, Hervé (thesis director).

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Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d’images biomédicales. L’objectif de notre étude est l’estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l’artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce des pathologies cardiovasculaires. L’étude des comportements dynamiques de l’artère pour le dépistage précoce de l’athérosclérose constitue à ce jour une piste privilégiée. Cependant, malgré les avancées récentes, l’estimation du mouvement de la paroi carotidienne reste toujours difficile, notamment dans la direction longitudinale (direction parallèle au vaisseau). L’élaboration d’une méthode innovante permettant d’étudier le mouvement de la paroi carotidienne constitue la principale motivation de ce travail de thèse. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement, la validation, et l’évaluation clinique d’une méthode originale d’estimation de mouvement 2D adaptée au mouvement de la paroi carotidienne, ii) la validation en simulation, et expérimentale de l’extension à la 3D de la méthode d’estimation proposée, et iii) l’évaluation expérimentale de la méthode proposée, en imagerie ultrasonore ultra-rapide, dans le cadre de l’estimation locale de la vitesse de l’onde de pouls. Nous proposons une méthode d’estimation de mouvement combinant un marquage ultrasonore dans la direction latérale, et un estimateur de mouvement basé sur la phase des images ultrasonores. Le marquage ultrasonore est réalisé par l’intermédiaire d’oscillations transverses. Nous proposons deux approches différentes pour introduire ces oscillations transverses, une approche classique utilisant une fonction de pondération spécifique, et une approche originale par filtrage permettant de contrôler de manière optimale leurs formations. L’estimateur de mouvement proposé utilise les phases analytiques des images radiofréquences, extraites par l’approche de Hahn. Ce travail de thèse montre que la méthode proposée permet une estimation de mouvement plus précise dans la direction longitudinale, et plus généralement dans les directions perpendiculaires au faisceau ultrasonore, que celle obtenue avec d’autres méthodes plus traditionnelles. De plus, l’évaluation expérimentale de la méthode sur des séquences d’images ultrasonores ultra-rapides issues de fantômes de carotide, a permis l’estimation locale de la vitesse de propagation de l’onde de pouls, la mise en évidence de la propagation d’un mouvement longitudinal et enfin l’estimation du module de Young des vaisseaux.

This work focuses on the processing of biomedical images. The aim of our study is to estimate the mechanical properties of the carotid artery in vivo using ultrasound imaging, in order to detect cardiovascular diseases at an early stage. Over the last decade, researchers have shown interest in studying artery wall motion, especially the motion of the carotid intima-media complex in order to demonstrate its significance as a marker of Atherosclerosis. However, despite recent progress, motion…

Advisors/Committee Members: Bou-Saïd, Benyebka (thesis director), Vray, Didier (thesis director).

▼ Abstract : Imaging using acoustical waves can meet several needs. On the one hand, ultrasonic waves are used to perform ultrasound scans in the medical field, but also to inspect and monitor the health of structures. On the other hand, by using sound waves, it is possible to locate, characterize, and evaluate the intensity of various noise sources. Being driven by different applications and aims, the imaging techniques proposed and used in the last decades for these two fields differ. Given the common bases of sound and ultrasound imaging, it would be relevantto make each field benefit from the signal processing advances of the other field. This thesis project therefore suggests to firstly review the imaging techniques of the two imaging domains in order to identify promising imaging tools and techniques, and secondly adapt and use those concepts for the other imaging field. In order to test and validate different imaging approaches, two types of extended sources were considered in the audible domain. Numerically, baffled simply supported plates and pistons were considered. Experimentally, the maps obtained using different algorithms were compared with reference measurements obtained by optical deflectometry. In the ultrasonic field, a phantom (CIRS Model 040GSE) was used to compare the resolutions and contrasts obtained using different algorithms. It is shown that the use of phase coherence in acoustic imaging helps for the reconstruction of extended sources. Indeed, the proposed formulations are based on a reduction of the imaging domain using phase coherence. This reduction improves the conditioning of the problem and results in a less sensitive to noise solution. Also, contrary to delay and sum techniques, the proposed algorithm allows the reconstruction of the amplitude of the transient vibration field (normal acceleration) of the structure under consideration. In addition, the resulting images present fewer artifacts than the reference techniques. In medical ultrasound imaging, the results show that when coupled with a new phase coherence metric, the Excitelet algorithm developed in the formalism of Generalized Cross Correlation (widely used in acoustic imaging) results in better resolutions and contrasts than the reference algorithm. In addition, the use of the proposed phase coherence metrics and frequency filter results in a reduction of imaging artifacts. Finally, being flexible and highly parallelizable, the proposed imaging formalism shows potential for the monitoring of medical tools in ultrasound-guided regional anesthesia. Advisors/Committee Members: Masson, Patrice (advisor), Berry, Alain (advisor).

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Ce travail de thèse a pour objectif de développer une méthodologie visant à imager les défauts dans les structures composites moyennant les ultrasons multiéléments. Plus précisément, la motivation essentielle réside dans la difficulté d’application des méthodes ultrasonores conventionnelles pour le contrôle de structures composites épaisses et hétérogènes. En effet, l’application de ces méthodes est d’autant plus difficile en présence d’anisotropie structurelle où les paramètres vitesse et atténuation changent de façon importante en fonction du trajet ultrasonore considéré. Cela pourrait même se compliquer en présence de dispersion fréquentielle des propriétés viscoélastiques du matériau composite. Les méthodes d’imagerie étudiées sont appliquées dans le cas de structures composites hétérogènes de forte épaisseur. Dans un premier temps, les paramètres vitesse et atténuation des ondes élastiques de volume se propageant dans le composite sous différentes incidences ont été déterminées.Ce travail a également permis de remonter aux caractéristiques viscoélastiques par méthode inverse.Les différents paramètres trouvés par méthodes directe et inverse sont ensuite intégrés au modèle direct de calcul de trajets ultrasonores pour corriger les effets d’anisotropie dans l’imagerie Total Focusing Method (TFM) et Plane Wave Imaging (PWI) et étudier ainsi les possibilités d’amélioration de la détection et de la caractérisation des défauts pouvant exister au sein des structures composites étudiées. Enfin, il est important de souligner que ce même travail discute de la nécessité de connaître le tenseur d’élasticité pour une prise en compte optimale de l’anisotropie. À cet effet, une comparaison avec un modèle simplifié mettant en jeu les vitesses de groupe est proposée.

This work aims to develop a methodology to image defects in composite structures by using Phased Array ultrasonic techniques. More specifically, the essential motivation lies in the difficulty of applying conventional ultrasonic methods for the control of thick and heterogeneous composite structures. Indeed, the application of these methods is more difficult in the presence of structural anisotropy where the velocity and the attenuation parameters change significantly depending on the ultrasound considered path. This could be more complicated in the presence of the viscoelastic properties frequency dispersion of the composite material. The studied imaging methods are applied in the case of heterogeneous and thick composite structures. First, the velocity and attenuation parameters of the elastic volume waves propagating in the composite under different incidences is determined. This work also allowed to go back to the viscoelastic characteristics by inverse method. The various parameters found by direct and inverse methods are then integrated into the direct ultrasound path calculation model to correct the anisotropy effects in the Total Focusing Method (TFM) and Plane Wave Imaging (PWI) imagery and thus to study the possibilities of improvement of the detection…

Advisors/Committee Members: Bentahar, Mourad (thesis director), Terrien, Nicolas (thesis director), Robert, Sébastien (thesis director).

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L'échographie est largement utilisée pour l'imagerie du flux sanguin pour ses nombreux avantages tels que son inocuité, son cout réduit, sa facilité d'utilisation et ses performances. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes ultrasonores d'imagerie du flux sanguin. Après une étude bibliographique, plusieurs approches ont été étudiées en détail jusqu'à leur implémentation sur l'échographe de recherche ULA-OP développé au sein du laboratoire et ont été validées en laboratoire et en clinique. La transmission d'ondes planes a été proposée pour améliorer la technique d'imagerie utilisant les oscillations transverses. Des champs de pression ultrasonores présentant des oscillations transverses sont générés dans de larges régions et exploités pour l'estimation vectorielle du flux sanguin à une haute cadence d'imagerie. Des cartes du flux sanguin sont obtenues grâce à une technique s'appuyant sur la transmission d'ondes planes couplées à un nouvel algorithme d'estimation de la vitesse dans le domaine fréquentiel. Les méthodes vectorielles implémentées en temps réel dans le ULA-OP ont été comparées à la méthode Doppler classique lors d'une étude clinique. Les résultats ont montré le bénéfice des méthodes vectorielles en termes de précision et de répétabilité. La nouvelle méthode proposée a démontré sa grande précision ainsi que son gain en termes de temps de calcul aussi bien en simulations qu'en acquisitions en laboratoire ou lors d'essais in vivo. Une solution logicielle temps réel implémentée sur une carte GPU a été proposée et testée afin de réduire encore le temps de calcul et permettre l'emploi de la méthode en clinique

Ultrasound is widely used for blood flow imaging because of the considerable advantages for the clinician, in terms of performance, costs, portability, and ease of use, and for the patient, in terms of safety and rapid checkup. The undesired limitations of conventional methods (1-D estimations and low frame-rate) are widely overtaken by new vector approaches that offer detailed descriptions of the flow for a more accurate diagnosis of cardiovascular system diseases. This PhD project concerns the development of novel methods for blood flow imaging. After studying the state-of-the-art in the field, a few approaches have been examined in depth up to their experimental validation, both in technical and clinical environments, on a powerful ultrasound research platform (ULA-OP). Real-time novel vector methods implemented on ULA-OP were compared to standard Doppler methods in a clinical study. The results attest the benefits of the vector methods in terms of accuracy and repeatability. Plane-wave transmissions were exploited to improve the transverse oscillation imaging method. Double oscillating fields were produced in large regions and exploited for the vectorial description of blood flow at high frame rates. Blood flow maps were obtained by plane waves coupled to a novel velocity estimation algorithm operating in the frequency domain. The new method was demonstrated capable of high…

Advisors/Committee Members: Cachard, Christian (thesis director), Liebgott, Hervé (thesis director), Tortoli, Piero (thesis director).

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Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’inspection en service des soudures des réacteurs nucléaires de génération IV, en vue de contribuer à la démonstration de sûreté. La structure anisotrope et hétérogène des soudures multipasses en acier inoxydable austénitique rend leur contrôle ultrasonore difficile. Ainsi, afin d'interpréter correctement les signaux mesurés et de caractériser les défauts potentiels, une description de la soudure est utilisée. Elle constitue la connaissance a priori introduite dans la méthode de l'Energie Topologique. L’étude réalisée se décline en deux temps : le développement de la méthode en milieu borné et sa comparaison avec le Matched Field Processing, puis son application au cas de soudures réelles. L'extension de la méthode de l'Energie Topologique aux milieux bornés isotropes et homogènes vise à tirer parti des réflexions multiples. Plusieurs solutions du problème numérique de propagation, obtenues pour différentes conditions aux frontières, sont judicieusement associées afin de sélectionner les échos de diffraction porteurs d'information. Selon le type de défaut à imager des énergies topologiques spécifiques sont définies. La technique est introduite analytiquement avant d'être validée numériquement puis expérimentalement.Dans un second temps, la méthode est appliquée au milieu complexe de la soudure. La procédure est testée expérimentalement sur des soudures réelles afin d'évaluer les performances en localisation. Cependant, en raison de la variabilité de la structure, la qualité de l'image peut se dégrader selon les cas d'étude. La possibilité de générer des sources arbitraires permet de pallier en grande partie cette difficulté.

The present study has been done as part of the in-service inspection of weld structure belonging to generation IV nuclear reactors. It aims at checking both the safety and integrity of these components. The anisotropic and heterogeneous structure of austenitic stainless steel welds disturbs the ultrasonic non destructive testing. Thus, a weld description model is necessary to properly analyze the ultrasonic measured signals and to characterize potential flaws. The weld model makes a priori knowledge up in the Topological Energy method. The study is divided into two parts: development of the method in a bounded medium and comparison with the Matched Field Processing method, and then its application to real weld structures.The work firstly focuses on expanding the Topological Energy method to isotropic and homogeneous bounded medium to take advantage of multiple reflections between the flaw and edges. For that, different conditions are numerically applied to boundaries. By adding up these conditions it becomes possible to select the appropriate scattering signal. Modified topological energies are defined according to the type of analyzed flaws. The approach is analytically demonstrated before being validated firstly from synthetical data and then from experimental data.The second part deals with the application of the method to the complex weld structure.…

Advisors/Committee Members: Mensah, Serge (thesis director), Chaix, Jean-François (thesis director).

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La dégénérescence valvulaire mitrale (MVD) est la cardiopathie la plus fréquente chez le chien de petit format. Certaines variables écho-Doppler et sanguines sont incontournables dans son évaluation mais nécessitent d'être interprétées selon un intervalle de référence (IR) spécifique. L'objectif de ce travail a été de déterminer des IR pour 31 variables d'utilité clinique en cardiologie vétérinaire dans une population importante de chiens sains de petit format et selon les recommandations du Clinical and Laboratory Standard Institute. Les trois études réalisées permettent de conclure que l'élaboration d'IR spécifiques dans une sous-population canine est pertinente pour certaines variables. De plus, l'effet de certains facteurs comme le poids, l'âge et le sexe doivent être pris en compte si un intérêt clinique est identifié.

Degenerative mitral valve disease is the most common heart disease in small size dogs. Several echocardiographic, Doppler and blood variables are crucial in the assessment of the disease but need to be interpreted in the light of a specific reference interval (RI). The aim of this work was to determine RI for 31 variables of clinical interest in veterinary cardiology within a large population of healthy small size dogs by using the Clinical and Laboratory Standard Institute recommendations. The three studies performed here allowed to conclude that determination of specific RI in this canine sub-population is relevant. Moreover, the effect of covariates such as body-weight, age and gender should be taken into account only if a clinical interest is identified.

Advisors/Committee Members: Lefebvre, Hervé (thesis director), Chetboul, Valérie (thesis director).

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La radiologie est actuellement la modalité d'imagerie la plus utilisée en chirurgie orthopédique, que ce soit en planification opératoire, en contrôle per-opératoire ou pour le suivi du patient. Un de ses inconvénients est de ne pas permettre un référencement géométrique des objets représentés. Il est donc impossible tout au long du processus chirurgical orthopédique, de mesurer précisément les modifications de géométrie des structures osseuses. En salle d'opération les instruments chirurgicaux sont référencés spatialement et permettent par palpations de points de référence une identification géométrique des structures osseuses. Ceci est limité au contexte chirurgical car ces palpations requièrent des incisions. Dans cette thèse, nous proposons d'introduire en chirurgie orthopédique une nouvelle approche fondée sur l'utilisation d'un capteur d'images ultrasonores dont le positionnement spatial est connu. Nous présentons une méthode d'analyse d'images ultrasonores qui aboutit à la détection des points de référence dans un contexte non chirurgical. Cet apport est fondamental car il introduit une continuité dans le contrôle précis de la géométrie des structures osseuses tout au long du processus chirurgical orthopédique de la planification opératoire jusqu'au suivi du patient. Pour déterminer la position des points de référence sur les images ultrasonores osseuses nous sommes passés par une étape intermédiaire consistant en la détection de l'interface osseuse par des approches fondées sur des modèles de contours. Devant la difficulté du problème lié à la très faible qualité des images ultrasonores osseuses, nous nous sommes orientés vers une approche coopérative innovante. Dès que la sonde est positionnée sur le patient, le système affiche en temps réel le contour détecté et le clinicien peut, par un mouvement continu de la sonde, faire converger le système vers une solution optimale au regard de son expertise et des propriétés images. La validation de nos algorithmes s'est tout d'abord effectuée en mode non coopératif sur une base de données contenant 651 images ultrasonores. Le meilleur algorithme fondé sur la recherche d'un chemin optimal parmi un ensemble de points de contours candidats a été validé en mode coopératif sur un prototype appelé PhysioPilot dédié à la mesure de paramètres physiologiques dans un contexte non chirurgical

X-rays remain the preferred imaging modality for orthopedic surgery for surgical planning, intra-operative control or patient follow-up. Nevertheless, it does not allow anatomical bone structures referencing. It is then impossible to control geometrical modifications of bone structures during the surgical process. However, surgical tools are referenced in the operating-room space and allow the surgeon to define anatomical structures geometrically by defining landmark positions. This process is only allowed during surgical procedures because it requires to do cuts on the patient. In this work, we propose a new approach using an ultrasound probe that is referenced in the operating-room…

Advisors/Committee Members: Petit, Éric (thesis director).

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Ce travail s'intéresse au suivi spatio-temporel par imagerie ultrasonore de la cavitation acoustique. Celle-ci est un phénomène physique complexe utilisé au cours de certaines techniques de thérapie par ultrasons, correspondant à la formation de bulles de gaz qui oscillent et éclatent. Initialement, la méthode TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping, en anglais), a été développée pour cartographier l’activité de cavitation à partir des signaux acoustiques émis par les bulles, enregistrés passivement par une sonde linéaire d'imagerie ultrasonore. Toutefois, le TD-PAM souffre d’une trop faible résolution et de nombreux artefacts de reconstruction. De plus, il est lourd en temps de calcul car il est formalisé dans le domaine temporel (TD). Pour pallier ces deux limitations, il est proposé d'étudier, de comparer et de développer des méthodes avancées d'imagerie ultrasonore passive. Ce manuscrit s'articule autour de trois contributions principales : Une méthode adaptative originale a été formalisée dans le domaine temporel, reposant sur la compression d'amplitude des signaux ultrasonores par racine pième : le TD-pPAM. Cette approche améliore la résolution et le contraste des cartes de cavitation pour un temps de calcul équivalent au TD-PAM. La notion de matrice de densité inter-spectrale a été introduite pour l'imagerie de la cavitation. Dès lors, quatre méthodes dans le domaine de Fourier (FD) ont été étudiées et comparées : le FD-PAM (non-adaptatif), la méthode Robuste de Capon FD-RCB (adaptatif, par optimisation), le Functional Beamforming FD-FB (adaptatif, par compression non-linéaire) et la méthode MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptatif, par projection en sous-espaces). Les performances de ces méthodes FD ont été étudiées expérimentalement in vitro cuve d’eau avec une comparaison par imagerie optique. Les méthodes adaptatives FD proposées ont démontré leur potentiel à améliorer le suivi spatio-temporel des bulles. Le FD-RCB offre une localisation supérieure au FD-PAM mais souffre d'une importante complexité algorithmique. Les performances du FD-FB sont intermédiaires à celles du FD-PAM et du FD-RCB, pour une complexité de calcul équivalente au FD-PAM. Le FD-MUSIC a le potentiel de mettre en évidence de faibles sources acoustiques, mais ne conserve pas leurs quantifications relatives

This work focuses on the spatio-temporal monitoring of acoustic cavitation by ultrasonic imaging. This is a complex physical phenomenon used in some ultrasound therapy techniques, corresponding to the formation of gas bubbles that oscillate and implode. Initially, the TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping) method was developed to map cavitation activity from acoustic signals emitted by bubbles, passively recorded by a linear ultrasonic imaging probe. However, the TD-PAM suffers from too low resolution and many reconstruction artifacts. In addition, it is time-consuming because it is formalized in the time domain (TD). To overcome these two limitations, it is proposed to study, compare and develop advanced…

Advisors/Committee Members: Varray, François (thesis director), Nicolas, Barbara (thesis director), Béra, Jean-Christophe (thesis director).

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Les épilepsies sont des hyperactivités neuronales pathologiques largement distribuées au sein du système nerveux. Aborder la question de l'organisation spatiotemporelle de ces crises est un premier pas crucial vers la dissection des mécanismes qui les sous-tendent. Alors qu'il existe de nombreux modèles d'hyperactivité épileptiforme, il est plus difficile d'étudier les crises spontanées, qui sont altérées par la sédation. Dans cette thèse, j'ai développé une approche combinant l'électroencéphalogramme (EEG) avec l'imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS), sur le rat mobile. Ainsi, sur un modèle d'épilepsie absence, j'ai pu enregistrer simultanément la survenue des crises et les variations hémodynamiques, marqueurs du métabolisme cellulaire. Le suivi additionnel de l'activité hémodynamique n'avait pas d'effet en soi sur l'occurrence et la durée des crises épileptiques. L'analyse des enregistrements a permis de mettre en évidence des corrélations entre les activités électriques et vasculaires durant les crises. Tandis que le thalamus présentait des zones d'hyperperfusion pendant les crises, le cortex présentait des corrélats variables suivant les aires, avec une hyperémie des aires somato-sensorielles accompagnée parfois d'une baisse de perfusion des tissus adjacents. La sensibilité du fUS a révélé, à partir d'événements uniques, qu'une série de pointe-ondes observée par une électrode EEG ne s'accompagne pas toujours d'une hyperactivité vasculaire au même endroit. Ainsi, cette approche permet de délimiter le contour des aires présentant une activité vasculaire pendant les crises et montre une dichotomie partielle entre les composantes électriques et vasculaires des crises.

Epilepsies consist in neuronal hyperactivities distributed across the nervous system that need first to be located in order to later decipher the mechanisms of these pathologies. While there are many models of epileptiform hyperactivity, it is more difficult to study spontaneous seizures, which are altered by sedation. In this thesis, I developed an approach that combines electroencephalography (EEG) and functional ultrasound imaging (fUS), on the mobile rat. Thus, on a model of absence epilepsy, I could record simultaneously the occurrence of seizures and the hemodynamic variations, which reflect cellular metabolism. Seizures were unaltered by the recording protocol, compared to rats with EEG alone. Correlations were observed between electric and vascular activities. The thalamus showed areas of hyperperfusion during seizures. The cortex exhibited different correlates in distinct areas, with hyperaemia in somato-sensory areas, occasionally associated with a decrease in perfusion in adjacent tissue. The sensitivity of fUS, which could resolve blood changes from single occurrences, revealed that series of spike-wave discharges recorded from an EEG electrode were not always associated with vascular hyperactivity in the same region. Thus, this approach can delimit the contour of areas presenting vascular activity during seizures and shows a partial…

Advisors/Committee Members: Lambolez, Bertrand (thesis director).

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L'échographie est aujourd'hui une technique d'imagerie de diagnostic répandue. Si l'imagerie dite ‘classique' basée sur la réponse linéaire des tissus est couramment utilisée, l'imagerie harmonique, basée sur la réponse non linéaire des tissus, est maintenant aussi utilisée en routine clinique. L'estimation du paramètre de non linéarité d'un milieu par une technique ultrasonore amène de nouvelles perspectives en termes d'imagerie et de diagnostic. Cependant, la méthode de mesure du paramètre de non linéarité est limitée par deux facteurs, la présence du speckle et la concentration de l'énergie à une profondeur donnée (la zone focale). Cette thèse a pour objectifs de répondre aux deux limitations mentionnées précédemment en proposant de nouvelles méthodes de lissage de l'image pour réduire le speckle et d'améliorer l'estimation du paramètre de non linéarité en mode écho par de nouvelles méthodes d'émission. Dans un premier temps, il a été proposé d'utiliser une méthode de filtrage spatiale basée sur des filtres orthogonaux (filtres de Thomson) lors de la formation de voie en réception pour lisser le speckle. Ce filtrage spatiale intervient après la transmission d'ondes planes sous différents angles pour améliorer la résolution spatiale et le contraste tout en accélérant la cadence d'imagerie. Dans un deuxième temps, l'estimation du paramètre de non linéarité est faite avec une méthode comparative. Le champ de pression du second harmonique d'une zone de référence est comparé avec le champ de pression d'une zone dont le paramètre de non linéarité est inconnu. Cependant, dans le cas des images échographiques, le champ de pression du second harmonique n'est pas accessible. Nous faisons l'hypothèse que la pression acoustique locale est liée à l'intensité de l'image échographique si le speckle est réduit et lissé. La transmission d'ondes planes et l'application de filtres orthogonaux permet de mieux délimiter le paramètre de non linéarité par rapport à une transmission focalisée

Nowadays, ultrasound imaging is a common diagnostic tool thanks to its non-invasive behavior and relatively cheap equipment. Classic medical echographic imaging is based on the linear response of the biological tissue. However harmonic imaging, based on the harmonic frequencies generated by the nonlinear properties of the tissue, is more and more used for clinical application. The quantification of nonlinearity is based on the evaluation of the nonlinearity parameter which strongly influences the harmonics generation. The nonlinearity parameter estimation using an echographic approach would bring new modalities for imaging and diagnosis. However the echographic method for nonlinearity estimation is limited by two factors: the presence of speckles in the image and the focalization used during transmission, which concentrates the energy at one particular depth. The objectives of this thesis work are developing novel approaches to reduce the speckle noise using original smoothing techniques and improving the nonlinearity parameter estimation in echo…

Advisors/Committee Members: Cachard, Christian (thesis director), Basset, Olivierf1963-.... (thesis director), Tortoli, Piero (thesis director).

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Dans le domaine de l'imagerie ultrasonore, l'imagerie non linéaire est devenue une branche importante. Imagerie non linéaire peut être divisée en imagerie harmonique tissulaire et imagerie harmonique de contraste, selon l'endroit où les signaux non linéaires viennent. Imagerie harmonique de contraste apparaît parce que les agents de contraste, qui sont injectés par voie intraveineuse pour améliorer les faibles échos rétrodiffusés par des cellules sanguines, peuvent vibrer non linéaire quand ils subissent une pression acoustique. Ces signaux non linéaires rétrodiffusés par des agents de contraste sont utilisés pour former des images harmoniques. Toutefois, lors de la propagation des ondes dans les tissus, les harmoniques de l'onde sont également générés dans le tissu. La présence de signaux harmoniques de tissus dégrade la qualité d'image en contraste imagerie harmonique. Cette thèse vise à mieux distinguer les échos des agents de contraste et les échos de tissus, concevant des nouvelles modalités, ou optimisant les modalités existantes. Nos efforts se concentrent principalement sur les techniques multi-impulsions en imagerie ultrasonore de contraste. Tout d'abord, nous proposons une formule de généraliser la plupart des techniques multi- impulsions. La formulation peut être utilisée pour prédire les éléments non linéaires dans chaque bande fréquentiel et de concevoir de nouvelles séquences de transmission pour augmenter ou diminuer composants non linéaires. Les résultats des simulations sur plusieurs techniques multi- impulsions sont en accord avec les résultats donnés dans les littératures précédentes. Deuxièmement, les techniques utilisant multi transmissions pour augmenter le CTR sont généralement basés sur la réponse des diffuseurs statiques. Cependant, diffuseur en mouvement a une influence inévitable sur des techniques. Il peut améliorer ou dégrader la technique. Des simulations, des expériences in vitro à partir d'une seule bulle et les nuages de bulles, et des expériences sur des rats montrent que le déphasage des échos rétrodiffusés par des bulles dépend du déphasage des transmissions, et que le mouvement de la bulle influe sur l’efficacité des techniques multi- impulsions. En outre, les résultats expérimentaux basés sur la technique de l'inversion de seconde harmonique (SHI) révèlent que le mouvement de la bulle peut être pris en compte pour optimiser les techniques multi-impulsions. Par ailleurs, une nouvelle technique, appelée double inversion de impulsion (DPI), a également été proposé. La technique PI est appliquée deux fois avant et après l'arrivée de l'agent de contraste dans la région d'intérêt. Les signaux résultants sont soustraits pour supprimer les harmoniques du tissu. Les simulations et les résultats in vitro ont montré une amélioration de CTR de DPI. Toutefois, la présence de mouvements de tissus peut limiter à l'efficacité de cette technique. Résultats in vivo confirment cette limitation.

In ultrasound imaging domain, nonlinear imaging has become an important branch. Nonlinear imaging can…

Advisors/Committee Members: Basset, Olivierf1963-.... (thesis director), Cachard, Christian (thesis director).

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Les problèmes inverses en traitement d'images peuvent être résolus en utilisant des méthodes variationnelles classiques, des approches basées sur l'apprentissage profond, ou encore des stratégies bayésiennes. Bien que différentes, ces approches nécessitent toutes des algorithmes d'optimisation efficaces. L'opérateur proximal est un outil important pour la minimisation de fonctions non lisses. Dans cette thèse, nous illustrons la polyvalence des algorithmes proximaux en les introduisant dans chacune des trois méthodes de résolution susmentionnées.Tout d'abord, nous considérons une formulation variationnelle sous contraintes dont la fonction objectif est composite. Nous développons PIPA, un nouvel algorithme proximal de points intérieurs permettant de résoudre ce problème. Dans le but d'accélérer PIPA, nous y incluons une métrique variable. La convergence de PIPA est prouvée sous certaines conditions et nous montrons que cette méthode est plus rapide que des algorithmes de l'état de l'art au travers de deux exemples numériques en traitement d'images.Dans une deuxième partie, nous étudions iRestNet, une architecture neuronale obtenue en déroulant un algorithme proximal de points intérieurs. iRestNet nécessite l'expression de l'opérateur proximal de la barrière logarithmique et des dérivées premières de cet opérateur. Nous fournissons ces expressions pour trois types de contraintes. Nous montrons ensuite que sous certaines conditions, cette architecture est robuste à une perturbation sur son entrée. Enfin, iRestNet démontre de bonnes performances pratiques en restauration d'images par rapport à une approche variationnelle et à d'autres méthodes d'apprentissage profond.La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'une méthode d'échantillonnage stochastique pour résoudre des problèmes inverses dans un cadre bayésien. Nous proposons une version accélérée de l'algorithme proximal de Langevin non ajusté, baptisée PP-ULA. Cet algorithme est incorporé à un échantillonneur de Gibbs hybride utilisé pour réaliser la déconvolution et la segmentation d'images ultrasonores. PP-ULA utilise le principe de majoration-minimisation afin de gérer les distributions non log-concaves. Comme le montrent nos expériences réalisées sur des données ultrasonores simulées et réelles, PP-ULA permet une importante réduction du temps d'exécution tout en produisant des résultats de déconvolution et de segmentation très satisfaisants.

Inverse problems in image processing can be solved by diverse techniques, such as classical variational methods, recent deep learning approaches, or Bayesian strategies. Although relying on different principles, these methods all require efficient optimization algorithms. The proximity operator appears as a crucial tool in many iterative solvers for nonsmooth optimization problems. In this thesis, we illustrate the versatility of proximal algorithms by incorporating them within each one of the aforementioned resolution methods.First, we consider a variational formulation including a set of constraints and a…

Advisors/Committee Members: Pesquet, Jean-Christophe (thesis director), Chouzenoux, Emilie (thesis director).

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Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement.

In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic…

Advisors/Committee Members: Lacot, Éric (thesis director).

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L’objectif principal de cette thèse est le développement de techniques de segmentation et de suivi totalement automatisées du ventricule gauche (VG) en RT3DE. Du fait de la nature difficile et complexe des données RT3DE, l’application directe des algorithmes classiques de vision par ordinateur est le plus souvent impossible. Les solutions proposées ont donc été formalisées et implémentées de sorte à satisfaire les contraintes suivantes : elles doivent permettre une analyse complètement automatique (ou presque) et le temps de calcul nécessaire doit être faible afin de pouvoir fonctionner en temps réel pour une utilisation clinique optimale. Dans ce contexte, nous avons donc proposé un nouveau cadre ou les derniers développements en segmentation d’images par ensembles de niveaux peuvent être aisément intégrés, tout en évitant les temps de calcul importants associés à ce type d’algorithmes. La validation clinique de cette approche a été effectuée en deux temps. Tout d’abord, les performances des outils développés ont été évaluées dans un contexte global se focalisant sur l’utilisation en routine clinique. Dans un second temps, la précision de la position estimée du contour du ventricule gauche a été mesurée. Enfin, les méthodes proposées ont été intégrées dans une suite logicielle utilisée à des fins de recherche. Afin de permettre une utilisation quotidienne efficace, des solutions conviviales ont été proposées incluant notamment un outil interactif pour corriger la segmentation du VG.

The fundamental goal of the present thesis was the development of automatic strategies for left ventricular (LV) segmentation and tracking in RT3DE data. Given the challenging nature of RT3DE data, classical computer vision algorithms often face complications when applied to ultrasound. Furthermore, the proposed solutions were formalized and built to respect the following requirements: they should allow (nearly) fully automatic analysis and their computational burden should be low, thus enabling real-time processing for optimal online clinical use. With this in mind, we have proposed a novel segmentation framework where the latest developments in level-set-based image segmentation algorithms could be straightforwardly integrated, while avoiding the heavy computational burden often associated with level-set algorithms. Furthermore, a strong validation component was included in order to assess the performance of the proposed algorithms in realistic scenarios comprising clinical data. First, the performance of the developed tools was evaluated from a global perspective, focusing on its use in clinical daily practice. Secondly, also the spatial accuracy of the estimated left ventricular boundaries was assessed. As a final step, we aimed at the integration of the developed methods in an in-house developed software suite used for research purposes. This included user-friendly solutions for efficient daily use, namely user interactive tools to adjust the segmented left ventricular boundaries.

Advisors/Committee Members: Friboulet, Denis (thesis director), Hooge, Jan d' (thesis director).

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Dans les examens médicaux et les actes de thérapie, les techniques minimalement invasives sont de plus en plus utilisées. Des instruments comme des aiguilles de biopsie, ou des électrodes sont utilisés pour extraire des échantillons de cellules ou pour effectuer des traitements. Afin de réduire les traumatismes et de faciliter le suivi visuelle de ces interventions, des systèmes d’assistance par imagerie médicale, comme par exemple, par l’échographie 2D, sont utilisés dans la procédure chirurgicale. Nous proposons d’utiliser l’échographie 3D pour faciliter la visualisation de l’aiguille, mais en raison de l’aspect bruité de l’image ultrasonore (US) et la grande quantité de données d’un volume 3D, il est difficile de trouver l’aiguille de biopsie avec précision et de suivre sa position en temps réel. Afin de résoudre les deux principaux problèmes ci-dessus, nous avons proposé une méthode basée sur un algorithme RANSAC et un filtre de Kalman. De même l’étude est limitée à une région d’intérêt (ROI) pour obtenir une localisation robuste et le suivi de la position de l’aiguille de biopsie en temps réel. La méthode ROI-RK se compose de deux étapes: l’étape d’initialisation et l’étape de suivi. Dans la première étape, une stratégie d’initialisation d’une ROI en utilisant le filtrage de ligne à base de matrice de Hesse est mise en œuvre. Cette étape permet de réduire efficacement le bruit de granularité du volume US, et de renforcer les structures linéaires telles que des aiguilles de biopsie. Dans la deuxième étape, après l’initialisation de la ROI, un cycle de suivi commence. L’algorithme RK localise et suit l’aiguille de biopsie dans une situation dynamique. L’algorithme RANSAC est utilisé pour estimer la position des micro-outils et le filtrage de Kalman permet de mettre à jour la région d’intérêt et de corriger la localisation de l’aiguille. Une stratégie d’estimation de mouvement est également appliquée pour estimer la vitesse d’insertion de l’aiguille de biopsie. Des volumes 3D US avec un fond inhomogène ont été simulés pour vérifier les performances de la méthode ROI-RK. La méthode a été testée dans des conditions variables, telles que l’orientation d’insertion de l’aiguille par rapport à l’axe de la sonde et le niveau de contraste (CR). La précision de la localisation est de moins de 1 mm, quelle que soit la direction d’insertion de l’aiguille. Ce n’est que lorsque le CR est très faible que la méthode proposée peut échouer dans le suivi d’une structure incomplète de l’aiguille. Une autre méthode, utilisant l’algorithme RANSAC avec apprentissage automatique a été proposée. Cette méthode vise à classer les voxels en se basant non seulement sur l’intensité, mais aussi sur les caractéristiques de la structure de l’aiguille de biopsie. Les résultats des simulations montrent que l’algorithme RANSAC avec apprentissage automatique peut séparer les voxels de l’aiguille et les voxels de tissu de fond avec un CR faible.

In medical examinations and surgeries, minimally invasive technologies are getting used more and more…

Advisors/Committee Members: Cachard, Christian (thesis director), Liebgott, Hervé (thesis director).

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L'imagerie médicale ultrasonore est une modalité en perpétuelle évolution et notamment en post-traitement où il s'agit d'améliorer la résolution et le contraste des images. Ces améliorations devraient alors aider le médecin à mieux distinguer les tissus examinés améliorant ainsi le diagnostic médical. Il existe déjà une large palette de techniques "hardware" et "software". Dans ce travail nous nous sommes focalisés sur la mise en oeuvre de techniques dites de "déconvolution aveugle", ces techniques temporelles utilisant l'enveloppe du signal comme information de base. Elles sont capables de reconstruire des images parcimonieuses, c'est-à-dire des images de diffuseurs dépourvues de bruit spéculaire. Les principales étapes de ce type de méthodes consistent en i) l'estimation aveugle de la fonction d'étalement du point (PSF), ii) l'estimation des diffuseurs en supposant l'environnement exploré parcimonieux et iii) la reconstruction d'images par reconvolution avec une PSF "idéale". La méthode proposée a été comparée avec des techniques faisant référence dans le domaine de l'imagerie médicale en utilisant des signaux synthétiques, des séquences ultrasonores réelles (1D) et images ultrasonores (2D) ayant des statistiques différentes. La méthode, qui offre un temps d'exécution très réduit par rapport aux techniques concurrentes, est adaptée pour les images présentant une quantité réduite ou moyenne des diffuseurs.

The ultrasonic imaging knows a continuous advance in the aspect of increasing the resolution for helping physicians to better observe and distinguish the examined tissues. There is already a large range of techniques to get the best results. It can be found also hardware or signal processing techniques. This work was focused on the post-processing techniques of blind deconvolution in ultrasound imaging and it was implemented an algorithm that works in the time domain and uses the envelope signal as input information for it. It is a blind deconvolution technique that is able to reconstruct reflectors and eliminate the diffusive speckle noise. The main steps are: the estimation of the point spread function (PSF) in a blind way, the estimation of reflectors using the assumption of sparsity for the examined environment and the reconstruction of the image by reconvolving the sparse tissue with an ideal PSF. The proposed method was tested in comparison with some classical techniques in medical imaging reconstruction using synthetic signals, real ultrasound sequences (1D) and ultrasound images (2D) and also using two types of statistically different images. The method is suitable for images that represent tissue with a reduced amount or average scatters. Also, the technique offers a lower execution time than direct competitors.

Advisors/Committee Members: Girault, Jean-Marc (thesis director), Rusu, Corneliu (thesis director).

▼ Les Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) sont une technique non invasive permettant de générer une augmentation de température à distance de l’émetteur ultrasonore. Cette technique est déjà largement utilisée en clinique dans le traitement de nombreuses pathologies, parmi lesquelles on peut compter les tremblements essentiels, les cancers de la prostate, du foie, du pancréas, le fibrome utérin, le glaucome etc. Une modalité d’imagerie est nécessaire pour guider et surveiller efficacement les traitements non invasifs par HIFU. Aujourd'hui, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'imagerie par ultrasons sont les deux techniques utilisées en combinaison avec les HIFU pour guider le traitement. L'IRM est supérieure à l'échographie pour visualiser la température des tissus et la nécrose, mais cette technique est extrêmement coûteuse et manque de portabilité, de disponibilité, et présente des problématiques de compatibilité avec les patients et les dispositifs. L'imagerie par ultrasons présente quant à elle des avantages en termes de coût et de portabilité, de disponibilité et présente par ailleurs une bonne résolution spatiale et temporelle. L'imagerie conventionnelle échographique montre la distribution spatiale en amplitude des échos réfléchis par les inhomogénéités d'impédance acoustique dans le milieu et est déjà largement utilisée pour guider et monitorer les traitements HIFU. Cependant, l'imagerie échographique fournit des informations limitées sur la formation d'une nécrose de la coagulation due aux HIFU. Dans la plupart des cas, les hyperéchos sont visibles en raison des microbulles générées par cavitation acoustique ou par ébullition. Or ces zones hyperéchogènes ne permettent pas de contourer de manière précise la zone traitée, et elles n’apparaissent pas durant la phase de coagulation des tissus. Plusieurs méthodes ont été proposées pour caractériser le changement thermique en fonction d'autres paramètres, tels que la rétrodiffusion par ultrasons. L'une des méthodes les plus anciennes est l'estimation de la température à partir du décalage d'écho dû au changement de vitesse du son induit thermiquement, mais limité à une température pouvant atteindre 50 à 55 ° C. Des techniques d'estimation de l'élasticité des tissus ont également été étudiées, basées sur le fait que les tissus deviennent plus rigides lorsqu'ils sont coagulés. Dans cette thèse, nous avons étudié les changements de l'énergie rétrodiffusée par les tissus traités par ultrasons due à la coagulation thermique sans génération de microbulles de 37°C à 80°C. Les mesures, particulièrement centrées sur l’énergie du signal rétrodiffusé, ont été réalisées de manière qualitative pour le monitoring des traitements et de manière quantitatives grâce à des méthodes dîtes d’ultrasons quantitatifs capables de révéler des informations sur la microstructure des tissus, en vue d’expliquer les phénomènes induisant les changements dans les signaux rétrodiffusés au fil d’un chauffage HIFU. Un chapitre s’attarde sur le monitoring des interventions… Advisors/Committee Members: Melo de Lima, David (thesis director), Catheline, Stefan (thesis director).

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L'hétérogénéité intratumorale influençant l'effet d'une thérapie, l'objectif de cette thèse est, en combinant les paramètres issus des imageries ultrasonores de contraste, d'élastographie par onde de cisaillement et d’ultrasons quantitatifs, de caractériser l'évolution tumorale et son hétérogénéité. Trois expériences précliniques menées sur deux modèles tumoraux murins et utilisant trois thérapies différentes ont permis de montrer que les techniques d'imagerie ultrasonore apportent des informations complémentaires à l'étude du volume seul lors de la croissance tumorale. L'étude multiparamétrique des corrélations entre les paramètres d'imagerie estimés sur la tumeur entière (échelle globale) révèle que les relations entre les différents paramètres varient en fonction du modèle tumoral et du traitement thérapeutique. Pour un modèle tumoral et une thérapie donnés, les corrélations entre les paramètres sont modifiées en considérant des zones plus locales et homogènes définies par un découpage en superpixel (échelle locale). Ceci suggère que les corrélations déterminées à une échelle locale sont sensibles à la répartition spatiale des différents paramètres au sein de la tumeur non considérée à l’échelle globale. Enfin, nous avons constaté que certains paramètres de l'imagerie de contraste sont corrélés à l’évolution future de la croissance tumorale. Ceci suggère que l'intégration des données de l'imagerie de contraste dans les modèles mathématiques peut aider à mieux prévoir l'évolution tumorale. L’ensemble de ces résultats montrent l'intérêt d'une évaluation plus localisée et multiparamétrique afin de mieux interpréter les modifications au sein d'une tumeur au cours du temps.

Intratumor heterogeneity influencing therapy efficiency, the goal of this thesis is, by the combination of parameters extracted from three ultrasound imaging techniques (contrast enhanced, shear wave elastography and quantitative ultrasound), to characterize tumor evolution and its heterogeneity. Three preclinical experiments carried out in two murine tumor models using three different therapies indicated that ultrasonic parameters provided complementarity information on tumor changes during growth. When evaluated on the entire imaged tumor cross section (global scale), mutiparametric correlations between the parameters from the three imaging modalities differed as a function of the tumor model and the treatment. For a given tumor type and therapy, the multiparametric correlations were modified when considered for more local, homogeneous zones of the tumor in superpixel-based zones (locale scale). This suggests that correlations on the local scale are sensitive to spatial repartition of the different parameters within the tumor that cannot be considered at global scale. Finally, certain contrast enhanced ultrasound parameter were correlated to the future tumor growth evolution. This suggests that integration of contrast enhanced ultrasound based information into mathematical models for tumor growth could help to better model and predict the tumor…

Advisors/Committee Members: Bridal, Sharon Lori (thesis director).

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L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide.

The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging…

Advisors/Committee Members: Ing, Ros-Kiri (thesis director), Fink, Mathias (thesis director).

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Les signaux analytiques multidimensionnels nous permettent d'avoir des possibilités de calculer les phases et modules. Cependant, peu de travaux se trouvent sur les signaux analytiques multidimensionnels qui effectuent une extensibilité appropriée pour les applications à la fois sur du traitement des données médicales 2D et 3D. Cette thèse a pour objectif de proposer des nouvelles méthodes pour le traitement des images médicales 2D/3D pour les applications de détection d'enveloppe et d'estimation du mouvement. Premièrement, une représentation générale du signal quaternionique 2D est proposée dans le cadre de l'algèbre de Clifford et cette idée est étendue pour modéliser un signal analytique hypercomplexe 3D. La méthode proposée décrit que le signal analytique complexe 2D, est égal aux combinaisons du signal original et de ses transformées de Hilbert partielles et totale. Cette écriture est étendue au cas du signal analytique hypercomplexe 3D. Le résultat obtenu est que le signal analytique hypercomplexe de Clifford peut être calculé par la transformée de Fourier complexe classique. Basé sur ce signal analytique de Clifford 3D, une application de détection d'enveloppe en imagerie ultrasonore 3D est présentée. Les résultats montrent une amélioration du contraste de 7% par rapport aux méthodes de détection d'enveloppe 1D et 2D. Deuxièmement, cette thèse propose une approche basée sur deux phases spatiales du signal analytique 2D appliqué aux séquences cardiaques. En combinant l'information de ces phases des signaux analytiques de deux images successives, nous proposons un estimateur analytique pour les déplacements locaux 2D. Pour améliorer la précision de l'estimation du mouvement, un modèle bilinéaire local de déformation est utilisé dans un algorithme itératif. Cette méthode basée sur la phase permet au déplacement d'être estimé avec une précision inférieure au pixel et est robuste à la variation d'intensité des images dans le temps. Les résultats de sept séquences simulées d'imagerie par résonance magnétique (IRM) marquées montrent que notre méthode est plus précise comparée à des méthodes récentes utilisant la phase du signal monogène ou des méthodes classiques basées sur l'équation du flot optique. Les erreurs d'estimation de mouvement de la méthode proposée sont réduites d'environ 33% par rapport aux méthodes testées. En outre, les déplacements entre deux images sont cumulés en temps, pour obtenir la trajectoire d'un point du myocarde. En effet, des trajectoires ont été calculées sur deux patients présentant des infarctus. Les amplitudes des trajectoires des points du myocarde appartenant aux régions pathologiques sont clairement réduites par rapport à celles des régions normales. Les trajectoires des points du myocarde, estimées par notre approche basée sur la phase de signal analytique, sont donc un bon indicateur de la dynamique cardiaque locale. D'ailleurs, elles s'avèrent cohérentes à la déformation estimée du myocarde.

Different mathematical tools, such as multidimensional analytic signals, provide…

Advisors/Committee Members: Delachartre, Philippe (thesis director).

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L'échocardiographie est une modalité d'imagerie sûre, non-invasive, qui est utilisée pour évaluer la fonction et l'anatomie cardiaque en routine clinique. Mais la cadence maximale d’imagerie atteinte est limitée en raison de la vitesse limitée du son. Afin d’augmenter la fréquence d'image, l'utilisation d’ondes planes ou d’ondes divergentes en transmissinon a été proposée afin de réduire le nombre de tirs nécessaires à la reconstruction d'une image. L'objectif de cette thèse consiste à développer un procédé d'imagerie par ultrasons ultra-rapide en échocardiographie 2/3D basé sur une insonification par ondes divergentes et réalisant une reconstruction dans le domaine de Fourier. Les contributions principales obtenues au cours de la thèse sont décrites ci-dessous. La première contribution de cette thèse concerne un schéma de transmission dichotomique pour l'acquisition linéaire en analysant mathématiquement la pression générée. Nous avons ensuite montré que ce système de transmission peut améliorer la qualité des images reconstruites pour une cadence constante en utilisant les algorithmes de reconstruction conventionnels. La qualité des images reconstruites a été évaluée en termes de résolution et de contraste au moyen de simulations et acquisitions expérimentales réalisées sur des fantômes. La deuxième contribution concerne le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie 2D en ondes plane opérant dans le domaine de Fourier et basée sur le théorème de la coupe centrale. Les résultats que nous avons obtenus montrent que l'approche proposée fournit des résultats très proches de ceux fournit par les méthodes classiques en termes de résolution latérale et contraste de l'image. La troisième contribution concerne le développement d'une transformation spatiale explicite permettant d'étendre les méthodes 2D opérant dans le domaine de Fourier d'une acquisition en géométrie linéaire avec des ondes planes à la géométrie sectorielle avec des ondes divergente en transmission. Les résultats que nous avons obtenus à partir de simulations et d'acquisitions expérimentales in vivo montrent que l'application de cette extension à la méthode de Lu permet d'obtenir la même qualité d’image que la méthode spatiale de Papadacci basée sur des ondes divergentes, mais avec une complexité de calcul plus faible. Finalement, la formulation proposée en 2D pour les méthodes ultra-rapides opérant dans le domaine de Fourier ont été étendues en 3D. L'approche proposée donne des résultats compétitifs associés à une complexité de calcul beaucoup plus faible par rapport à la technique de retard et somme conventionnelle.

Three-dimensional echocardiography is one of the most widely used modality in real time heart imaging thanks to its noninvasive and low cost. However, the real-time property is limited because of the limited speed of sound. To increase the frame rate, plane wave and diverging wave in transmission have been proposed to drastically reduce the number of transmissions to reconstruct one image. In this thesis, starting with the 2D plane…

Advisors/Committee Members: Bernard, Olivier (thesis director), Friboulet, Denis (thesis director).

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DL’objectif de cette thèse est le développement de techniques adaptées à l’application de la théorie de l’acquisition compressée en imagerie ultrasonore 3D et Doppler. En imagerie ultrasonore 3D une des principales difficultés concerne le temps d’acquisition très long lié au nombre de lignes RF à acquérir pour couvrir l’ensemble du volume. Afin d’augmenter la cadence d’imagerie une solution possible consiste à choisir aléatoirement des lignes RF qui ne seront pas acquises. La reconstruction des données manquantes est une application typique de l’acquisition compressée. Une autre application d’intérêt correspond aux acquisitions Doppler duplex où des stratégies d’entrelacement des acquisitions sont nécessaires et conduisent donc à une réduction de la quantité de données disponibles. Dans ce contexte, nous avons réalisé de nouveaux développements permettant l’application de l’acquisition compressée à ces deux modalités d’acquisition ultrasonore. Dans un premier temps, nous avons proposé d’utiliser des dictionnaires redondants construits à partir des signaux d’intérêt pour la reconstruction d’images 3D ultrasonores. Une attention particulière a aussi été apportée à la configuration du système d’acquisition et nous avons choisi de nous concentrer sur un échantillonnage des lignes RF entières, réalisable en pratique de façon relativement simple. Cette méthode est validée sur données 3D simulées et expérimentales. Dans un deuxième temps, nous proposons une méthode qui permet d’alterner de manière aléatoire les émissions Doppler et les émissions destinées à l’imagerie mode-B. La technique est basée sur une approche bayésienne qui exploite la corrélation et la parcimonie des blocs du signal. L’algorithme est validé sur des données Doppler simulées et expérimentales.

This thesis is dedicated to the application of the novel compressed sensing theory to the acquisition and reconstruction of 3D US images and Doppler signals. In 3D US imaging, one of the major difficulties concerns the number of RF lines that has to be acquired to cover the complete volume. The acquisition of each line takes an incompressible time due to the finite velocity of the ultrasound wave. One possible solution for increasing the frame rate consists in reducing the acquisition time by skipping some RF lines. The reconstruction of the missing information in post processing is then a typical application of compressed sensing. Another excellent candidate for this theory is the Doppler duplex imaging that implies alternating two modes of emission, one for B-mode imaging and the other for flow estimation. Regarding 3D imaging, we propose a compressed sensing framework using learned overcomplete dictionaries. Such dictionaries allow for much sparser representations of the signals since they are optimized for a particular class of images such as US images.We also focus on the measurement sensing setup and propose a line-wise sampling of entire RF lines which allows to decrease the amount of data and is feasible in a relatively simple setting of the 3D US…

Advisors/Committee Members: Friboulet, Denis (thesis director).