Contexte : L’hystérosalpingosonographie (sono-HSG) est un examen proposé comme alternative à l’hystérosalpingographie (HSG) pour tester la perméabilité tubaire chez les couples infertiles. Cet examen échographique est supérieur à l’HSG pour le diagnostic des anomalies ovariennes et utérines et permet d’éviter les risques liés aux irradiations et réactions à l’iode. La littérature suggère qu’en plus de sa valeur diagnostique, le lavage utérin encouru lors du test de perméabilité tubaire pourrait s’avérer thérapeutique en augmentant les chances de concevoir dans les mois suivant la procédure. Objectif : Évaluer le rôle de la sono-HSG et du lavage utérin au salin physiologique dans le diagnostic et le traitement de l’infertilité inexpliquée Méthodes : 1) Dans le cadre d’une revue systématique avec méta-analyse, la validité diagnostique de la sono-HSG a été évaluée et comparée à celle de l’HSG. 2) Une étude rétrospective de non-infériorité menée auprès de 440 femmes infertiles a ensuite été réalisée afin d’évaluer si la sono-HSG est aussi efficace que l’HSG pour augmenter les chances de grossesses dans les 6 mois suivant l’intervention. 3) Nous avons finalement un essai clinique randomisé pilote (ECR) permettant d’étudier l’efficacité du lavage utérin en pré-ovulatoire au salin physiologique, tel que réalisé lors d’une sono-HSG (intervention) en comparaison avec le lavage vaginal (contrôle) comme traitement de l’infertilité inexpliquée. Résultats : 1) Un total de 28 études (1551 femmes) ont été inclues dans la méta-analyse menant à des estimés globaux de sensibilité et spécificité pour la sono-HSG de 92% (IC à 95% : 82%–96%) et 95% (IC à 95% : 90%–97%), respectivement. La synthèse des résultats de neuf études (582 femmes), a permis une comparaison directe de la sono-HSG et l’HSG résultant en des estimés de sensibilité et spécificité de 95% (IC à 95% : 78%–99%) et 93% (IC à 95% : 89%–96%) pour la sono-HSG et de 94% (IC à 95% : 74%–99%) et 92% (IC à 95% : 87%–95%) pour l’HSG, respectivement. Pour ce qui est de la sono-HSG, nous avons observé un bénéfice à l’utilisation de l’échographie Doppler (p=0.0497) en terme de validité diagnostique, mais aucun bénéfice à l’utilisation de contrastes commerciaux plutôt que le salin physiologique (p=0.7046). L’analyse de sensibilité ayant pris en compte la qualité méthodologique des résultats n’a pas modifié les résultats. 2) Les risques relatifs nonajustés et ajustés de grossesse dans les 6 mois suivant la sono-HSG comparativement à l’HSG étaient de 0,61 (IC à 95% : 0,42-0,89) et 0,58 (IC à 95% : 0.39-0.85), respectivement. Les effets secondaires étaient rares pour les deux procédures (sono-HSG= 1%; HSG= 4%, p=0.16). 3) Près de 90% des participantes ont rapporté que le lavage utérin était une option de traitement acceptable. Aucune complication n’a été notée suite à l’intervention et les effets secondaires se limitaient principalement à des douleurs légères (40%) à modérées (21%) transitoires. Au cours de l’étude pilote, nous avons amélioré notre stratégie de recrutement et de rétention etle nombre de femmes recrutées et randomisées mensuellement pour le projet est passé de 1 à 15. Conclusion : La sono-HSG présente une excellente validité pour le diagnostic de l’occlusion tubaire et devrait remplacer l’HSG dans le bilan initial de l’infertilité étant donné ses autres avantages connus. De plus, lors de cet examen, l’utilisation de salin physiologique, combinée à l’utilisation du Doppler, devrait être favorisée plutôt que l’utilisation de contrastes commerciaux. Selon les résultats de notre étude, dont les résultats sont limités par les biais inhérents aux devis rétrospectif, il est possible que le lavage utérin produit lors d’une sono-HSG ne soit pas aussi efficace que celui produit lors d’une HSG pour augmenter les chances de grossesses. Finalement, ce projet de doctorat a permis de mettre sur pied un ECR qui permettra de déterminer si le lavage utérin au salin physiologique en pré-ovulatoire pourrait constituer une nouvelle option thérapeutique acceptable, abordable et efficace pour les couples souffrant d’infertilité inexpliquée. / Context: Hysterosalpingosonography (sono-HSG) was proposed as an alternative to hysterosalpingography (HSG) for the detection of tubal occlusion in subfertile couples. This ultrasound test is superior to HSG for diagnosing ovarian and uterine anomalies and avoids risks related to ionizing radiations and iodine reactions. The literature suggests that, in addition to its diagnostic value, the uterine flushing incurred during tubal patency testing could also be therapeutic by increasing the chance of conceiving in the months following the procedure. Objective: To assess the role of sono-HSG and uterine flushing with physiologic saline in the diagnosis and treatment of unexplained infertility. Methods: 1) As part of a systematic review with meta-analysis, the diagnostic validity of the sono-HSG was evaluated and compared to HSG. 2) A retrospective non-inferiority study of 440 infertile women was then conducted to assess whether sono-HSG is as effective as HSG in increasing the chances of pregnancy in the 6 months following the intervention. 3) We finally conducted a pilot randomized clinical trial (RCT) to study the efficacy of preovulatory uterine flushing with saline, as performed during a sono-HSG (intervention), compared to vaginal flushing (control), as a treatment for unexplained infertility. Results: 1) A total of 28 studies (1551 women) were included in the meta-analysis leading to pooled estimates of sensitivity and specificity for sono-HSG of 92% (95% CI: 82%-96%) and 95% (95% CI: 90%-97%), respectively. In nine studies (582 women), a direct comparison of sono-HSG and HSG was performed resulting in sensitivity and specificity of 95% (95% CI: 78%-99%) and 93% (95% CI: 89%-96%) for the sono-HSG and 94% (95% CI: 74%-99%) and 92% (95% CI: 87%-95%) for the HSG, respectively. With regard to sono- HSG, we observed a benefit in the use of Doppler ultrasound (p=0.0497) in terms of diagnostic accuracy, but no benefit in the use of commercial contrasts rather than saline (p=0.7046). Although the methodological quality of the studies was variable, the sensitivity analysis taking this into account did not modify the results. 2) The unadjusted and adjusted relative risks of pregnancy in the 6 months following sono-HSG compared to HSG were 0.58 (95% CI: 0.39-0.85) and 0.61 (95% CI: 0.42-0.89), respectively. Side effects were rare for both procedures (sono-HSG = 1%, HSG = 4%, p = 0.16). 3) Nearly 90% of participants reported that uterine flushing is an acceptable treatment option. No complication was noted following the intervention and side effects were mainly limited to mild (40%) to moderate (21%) transient pain. During the pilot study, we managed to improve our recruitment and retention strategies and increase the number of women recruited and randomized for the project per month from 1 to 15. Conclusion: Sono-HSG has an excellent validity for the diagnosis of tubal occlusion and should replace HSG in the initial infertility workup given its other known benefits. In addition, the use of saline combined with Doppler ultrasound should be favored rather than commercial contrasts. It is possible that the uterine flushing associated with sono-HSG is not as effective as that associated with HSG to increase the chances of pregnancy, but further studies will be necessary given the limits of our retrospective study. Finally, this doctoral project has established the feasibility of an RCT designed to determine whether preovulatory uterine flushing with saline could represent a new, acceptable, affordable and effective therapeutic option for couples with unexplained infertility.

Augmenter la cadence d'image des échographes est un des enjeux majeurs de l'imagerie ultrasonore. Il y a, en effet, avec l'avènement de l'échographie tridimensionnelle, un réel besoin d'accélérer l'acquisition des signaux ultrasonores tout en gardant une très bonne qualité d'image. Les échographes à haute cadence pourraient également imager des mouvements tissulaires très rapides, aujourd'hui indétectables, et offrir de nouvelles perspectives au diagnostic médical.En se basant sur un échographe complètement programmable développé au laboratoire Ondes et Acoustique, ce travail de thèse explore les potentialités d'une imagerie ultrarapide et en particulier son application à l'étude des propriétés viscoélastiques des tissus biologiques.Dans une première partie, nous explorons les méthodes pour parvenir à une imagerie ultrarapide (200 à 10000 Hz) et leurs conséquences sur la qualité de l'image échographique. Ces cadences sont ensuite utilisées pour imager la propagation d'ondes de cisaillement impulsionnelles dans les tissus mous. Sensibles aux propriétés viscoélastiques des tissus, ces ondes peuvent être d'un grand intérêt pour la détection et le diagnostic de pathologies telles que le cancer du sein. La génération de ces ondes dans le corps est faite à distance par une source mécanique mobile crée par force de radiation et se déplaçant à une vitesse supersonique. Cette nouvelle technique de diagnostic, baptisée "Supersonic Shear Imaging" a été validé in vitro et in vivo. Elle devrait fournir au médecin une cartographie quantitative des paramètres élastiques et visqueux du corps humain.

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La réalisation des néphrolithotomies percutanées est essentiellement conditionnée par la qualité dela ponction calicièle préalable. En effet, en cas d’échec de celle-ci, l’intervention ne peut avoir lieu.Réalisée le plus souvent sous échographie, sa qualité est fortement conditionnée par celle du retouréchographique, considéré comme essentiel par la deuxième consultation internationale sur la lithiase pour limiter les saignements consécutifs à l’intervention.L’imagerie échographique est largement plébiscitée en raison de son faible coût, de l’innocuité del’examen, liée à son caractère non invasif, de sa portabilité ainsi que de son excellente résolutiontemporelle ; elle possède toutefois une très faible résolution spatiale et souffre de nombreux artefacts tels que la mauvaise résolution des images, un fort bruit apparent et une forte dépendance àl’opérateur.L’objectif de cette thèse est de concevoir une méthode de filtrage des données échographiques ainsiqu’une méthode de segmentation et de suivi du rein sur des séquences ultrasonores, dans le butd’améliorer les conditions d’exécution d’interventions chirurgicales telles que les néphrolithotomiespercutanées.Le filtrage des données, soumis et publié dans SPIE 2010, est réalisé en exploitant le mode deformation des images : le signal radiofréquence est filtré directement, avant même la formation del’image 2D finale. Pour ce faire, nous utilisons une méthode basée sur les ondelettes, en seuillantdirectement les coefficients d’ondelettes aux différentes échelles à partir d’un algorithme de typesplit and merge appliqué avant reconstruction de l’image 2D.La méthode de suivi développée (une étude préliminaire a été publiée dans SPIE 2009), exploiteun premier contour fourni par le praticien pour déterminer, en utilisant des informations purementlocales, la position du contour sur l’image suivante de la séquence. L’image est transformée pourne plus être qu’un ensemble de vignettes caractérisées par leurs critères de texture et une premièresegmentation basée région est effectuée sur cette image des vignettes. Cette première étape effectuée, le contour de l’image précédente de la séquence est utilisé comme initialisation afin de recalculer le contour de l’image courante sur l’image des vignettes segmentée. L’utilisation d’informations locales nous a permis de développer une méthode facilement parallélisable, ce qui permettra de travailler dans une optique temps réel.La validation de la méthode de filtrage a été réalisée sur des signaux radiofréquence simulés. Laméthode a été comparée à différents algorithmes de l’état de l’art en terme de ratio signal sur bruitet de calcul de USDSAI. Les résultats ont montré la qualité de la méthode proposée comparativement aux autres. La méthode de segmentation, quant-à elle, a été validée sans filtrage préalable, sur des séquences 2D réelles pour un temps d’exécution sans optimisation, inférieur à la minute pour des images 512*512. / The achievement of percutaneous nephrolithotomies is mainly conditioned by the quality of the initial puncture. Indeed, if it is not well performed , the intervention cannot be fulfilled.In order to make it more accurate this puncture is often realized under ultrasound control. Thus the quality of the ultrasound feedback is very critical and when clear enough it greatly helps limiting bleeding.Thanks to its low cost, its non invasive nature and its excellent temporal resolution, ultrasound imaging is considered very appropriate for this purpose. However, this solution is not perfect it is characterized by a low spatial resolution and the results present artifacts due to a poor image resolution (compared to images provided by some other medical devices) and speckle noise.Finally this technic is greatly operator dependent.Aims of the work presented here are, first to design a filtering method for ultrasound data and then to develop a segmentation and tracking algorithm on kidney ultrasound sequences in order to improve the executing conditions of surgical interventions such as percutaneous nephrolithotomies.The results about data filtering was submitted and published in SPIE 2010. The method uses the way ultrasound images are formed to filter them: the radiofrequency signal is directly filtered, before the bi-dimensional reconstruction. In order to do so, a wavelet based method, thresholding directly wavelet coefficients at different scales has been developed. The method is based on a “split and merge” like algorithm.The proposed algorithm was validated on simulated signals and its results compared to the ones obtained with different state of the art algorithms. Experiments show that this new proposed approach is better.The segmentation and tracking method (of which a prospective study was published in SPIE 2009) uses a first contour given by a human expert and then determines, using only local informations, the position of the next contour on the following image of the sequence. The tracking technique was validated on real data with no previous filtering and successfully compared with state of the art methods.

La recherche présentée dans cette thèse comporte deux parties : l’interaction des ondes ultrasonores avec des structures périodiques et également l’interaction avec des matériaux composites. La recherche sur l’interaction des ultrasons avec des structures périodiques comporte deux aspects : l’étude du phénomène physique de la diffraction des ultrasons d’une part. Les chapitres II et III représentent l’enquête des deux phénomènes physiques de la diffraction d’ultrasons, c’est-à-dire l’anomalie dites « anomalie de Wood » et le phénomène de diffraction subharmonique. Dans le chapitre IV, le principe de la diffraction de Bragg est appliquée à la caractérisation non destructive de la périodicité des structures périodiques par ondes ultrasonores générées et se propageant dans l’air, tandis qu’une caractérisation géométrique plus générale de surface périodique à l’aide d’une technique ultrasonore à haute fréquence par la technique de imagerie C-scan est présentée au chapitre V. Dans cette thèse, les travaux de recherches sur l’interaction des ultrasons avec des structures composites se concentrent sur la caractérisation des défauts d’impacts des plaques composites. Ce travail comporte deux parties : l’analyse spectrale des défauts d’impact et la comparaison des différentes techniques de caractérisation des défauts d’impact. La première partie de l’ouvrage tente de faire face à la situation où les signaux reçus pour la caractérisation des défauts sont corrompus par le bruit causé par le système d’acquisition. Alors que dans la seconde partie, différentes configurations de test, différents capteurs et différentes méthodes de traitement de données sont comparées, afin d’optimiser la caractérisation des défauts / The research presented in this thesis contains two parts : the interaction of ultrasound with periodic structures and the interaction of ultrasound with composite materials. The investigation in the interaction of ultrasound with periodic structures is made in two aspects : study of the physical phenomenon of ultrasound diffraction and nondestructive characterization of the coorugated structures using ultrasonic techniques. Chapter II and III represent the investigation of two physical phenomena of ultrasound diffraction, i.e. acoustic Wood anomaly and the so-called sub-harmonic diffraction, respectively. In chapter IV the principle of Bragg diffraction is applied to the nondestructive characterization of the periodicity of periodic structures using air-coupled ultrasonic technique; while a more general geometrical characterization of periodic surface using high frequency ultrasonic C-scan imaging technique is presented in chapter V. In this thesis the research work of the interaction of ultrasound with composite structures focuses on the characterization of impact defects of composite plates. This work contains two parts : the spectral analysis of impact defects and the comparison of different techniques in impact defects characterization. The first part of the work tries to deal with the situation where the received signals for defect characterization are corrupted by the avoidable high-level noise caused by the data acquisition system. While in the second part different testing configurations, different transducers and different data processing methods are compared in order to optimize the defect characterization

Avec les échographes classiques, le médecin explore un volume à partir de plans de coupe. Il intègre ensuite les informations volumiques en coordonnant les images obtenues et les positions de la sonde. Les techniques d'échographie tridimensionnelle récupèrent directement les données volumiques, qui peuvent ensuite être exploitées de manière plus ou moins automatique. L'objectif de cette thèse est de permettre l'évaluation clinique des techniques ultrasonores tridimensionnelles, notamment en ce qui concerne l'exploration de la région thyroïdienne. Pour ce faire, nous avons développé un système qui repère les mouvements de la sonde échographique pendant que l'opérateur explore le volume étudié. Deux systèmes de repérages ont été testés : un bras mécanique et un capteur électromagnétique. Dans une première étape, nous avons étudié les problèmes de calibrage et la précision du repérage dans les conditions d'utilisation. Les caractéristiques des données ultrasonores rendent le problème de la visualisation des données tridimensionnelles particulièrement difficile. Nous proposons une méthode interactive pour obtenir des images tridimensionnelles réalistes et estimer le volume des structures étudiées. Les images obtenues facilitent alors l'échange d'informations entre l'opérateur et le chirurgien ou le patient. Nous présentons enfin deux méthodes de segmentation pour améliorer la visualisation des données dans deux situations précises. En ce qui concerne la région thyroïdienne, la segmentation semi-automatique de la carotide facilite la localisation des adénomes. En obstétrique, un algorithme de détection des parois la cavité utérine permet d'améliorer la visualisation du foetus.

Un applicateur ultrasonore interstitiel IRM compatible a été développé pour le traitement percutané du CHC sous contrôle de l'imagerie. Deux grands axes expérimentaux ont été abordés : 1) au cours d'une première expérimentation réalisée in vivo sur le foie de porc, des macro lésions correspondant à la fusion de lésions élémentaires par rotation du transducteur sur 360° ont pu être réalisées par voie percutanée sous contrôle échographique. Les macro lésions obtenues possédaient une taille voisine de celles obtenues en pratique clinique par la RF. De plus, les lésions élémentaires se montraient relativement indifférentes à l'effet de vol de chaleur ; 2) au cours d'une seconde expérimentation réalisée in vitro puis in vivo sur le foie de porc, un contrôle actif par IRM de température a pu être obtenu pour la création de lésions ultrasonores de taille et aspect similaires quelle que soit la direction du faisceau ultrasonore. Ce contrôle de température est apparu d'autant plus important que les puissances appliquées et du temps d'application pour l'obtention de lésions de taille similaire étaient extrêmement variables selon la direction du faisceau ultrasonore.

L'échographie constitue aujourd'hui un des piliers de l'imagerie médicale. Appliquée en clinique depuis plus de quarante ans, elle repose sur les ultrasons, ondes mécaniques de compression à hautes fréquences, pour réaliser des images principalement morphologiques des organes. Développée plus récemment, l'élastographie permet de sonder directement les propriétés viscoélastiques des tissus et pourrait ainsi renseigner sur l'état pathologique des tissus comme le fait la palpation du médecin. L'élastographie transitoire, basée sur l'étude de la propagation des ondes de cisaillement naturelles ou artifi- cielles, permet une mesure quantitative de ces propriétés viscoélastiques. Combinant la pression de radiation ultrasonore, véritable palpation à distance, et l'échographie ultrarapide, le Supersonic Shear Imaging peut gé- nérer et suivre des ondes de cisaillement in vivo en quelques millisecondes. On peut alors, par inversion de l'équation d'onde, former des cartes d'élasticité du milieu. Nous proposons ici une nouvelle méthode de reconstruction des cartes d'élasticité, plus robuste, qui est ensuite appliquée, in vivo et en clinique, à l'imagerie des lésions du sein, à l'étude de la fibrose du foie ainsi qu'à celle des maladies neuromusculaires. Une méthode de mesure de la dispersion de l'onde de cisaillement générée est aussi proposée et testée in vivo. Elle permet de retrouver, en une seule acquisition, les propriétés viscoélastiques complètes des tissus et a été appliquée au foie et au muscle de plusieurs volontaires sains. Finalement, nous nous intéressons à l'échographie ultrarapide de la contraction du muscle, déclenchée par électrostimulation. Cette méthode, locale et transitoire, permet de retrouver les paramètres clés de la réponse musculaire et offre ainsi, couplée avec l'électromyographie, des perspectives cliniques très intéressantes pour l'étude de la physiologie du muscle ou les maladies neuromusculaires.

La réalisation des néphrolithotomies percutanées est essentiellement conditionnée par la qualité dela ponction calicièle préalable. En effet, en cas d'échec de celle-ci, l'intervention ne peut avoir lieu.Réalisée le plus souvent sous échographie, sa qualité est fortement conditionnée par celle du retouréchographique, considéré comme essentiel par la deuxième consultation internationale sur la lithiase pour limiter les saignements consécutifs à l'intervention.L'imagerie échographique est largement plébiscitée en raison de son faible coût, de l'innocuité del'examen, liée à son caractère non invasif, de sa portabilité ainsi que de son excellente résolutiontemporelle ; elle possède toutefois une très faible résolution spatiale et souffre de nombreux artefacts tels que la mauvaise résolution des images, un fort bruit apparent et une forte dépendance àl'opérateur.L'objectif de cette thèse est de concevoir une méthode de filtrage des données échographiques ainsiqu'une méthode de segmentation et de suivi du rein sur des séquences ultrasonores, dans le butd'améliorer les conditions d'exécution d'interventions chirurgicales telles que les néphrolithotomiespercutanées.Le filtrage des données, soumis et publié dans SPIE 2010, est réalisé en exploitant le mode deformation des images : le signal radiofréquence est filtré directement, avant même la formation del'image 2D finale. Pour ce faire, nous utilisons une méthode basée sur les ondelettes, en seuillantdirectement les coefficients d'ondelettes aux différentes échelles à partir d'un algorithme de typesplit and merge appliqué avant reconstruction de l'image 2D.La méthode de suivi développée (une étude préliminaire a été publiée dans SPIE 2009), exploiteun premier contour fourni par le praticien pour déterminer, en utilisant des informations purementlocales, la position du contour sur l'image suivante de la séquence. L'image est transformée pourne plus être qu'un ensemble de vignettes caractérisées par leurs critères de texture et une premièresegmentation basée région est effectuée sur cette image des vignettes. Cette première étape effectuée, le contour de l'image précédente de la séquence est utilisé comme initialisation afin de recalculer le contour de l'image courante sur l'image des vignettes segmentée. L'utilisation d'informations locales nous a permis de développer une méthode facilement parallélisable, ce qui permettra de travailler dans une optique temps réel.La validation de la méthode de filtrage a été réalisée sur des signaux radiofréquence simulés. Laméthode a été comparée à différents algorithmes de l'état de l'art en terme de ratio signal sur bruitet de calcul de USDSAI. Les résultats ont montré la qualité de la méthode proposée comparativement aux autres. La méthode de segmentation, quant-à elle, a été validée sans filtrage préalable, sur des séquences 2D réelles pour un temps d'exécution sans optimisation, inférieur à la minute pour des images 512*512.