Le dépistage et le diagnostic de l’insuffisance placentaire (IP), qu’il s’agisse du retard de croissance intra-utérin (RCIU) ou de la prééclampsie (PE), sont des enjeux majeurs de santé publique. En pratique clinique, les propriétés mécaniques du placenta ne sont pas explorées, pourtant des modifications de son architecture tissulaire pourraient engendrer des variations d’élasticité. Parmi les méthodes d’élastographie ultrasonore (US), l’élastographie transitoire paraît adaptée pour une telle application. Cette technique consiste à calculer la vitesse de l’onde de cisaillement (Cs) générée par une vibration externe se propageant dans le milieu considéré. Les valeurs d’élasticité obtenues à partir des méthodes US actuelles ne sont calculées qu’à une fréquence unique. Une modification structurelle du tissu pouvant correspondre à une loi de puissance particulière de la dispersion fréquentielle de Cs, nous avons évalué l’intérêt d’une approche multifréquentielle pour distinguer l’élasticité des placentas normaux et celle de placentas présentant des signes d’IP au troisième trimestre de la grossesse. Nous avons développé un dispositif préliminaire en onde plane (pour l’exploration ex vivo) permettant de valider le principe de la méthode proposée, puis un dispositif d’élastographie transitoire 2D (exploration ex vivo et in vivo). Les données sont ajustées au moyen d’un modèle rhéologique fractionnaire dans lequel le comportement en fréquence est modélisé par une loi de puissance (exposant n du modèle). Nous avons montré que les placentas RCIU présentent des valeurs de Cs et n inférieures à celles des placentas normaux ou des PE. Cette diminution de n pourrait s’expliquer par les lésions anatomopathologiques du RCIU et la diminution de Cs est cohérente avec l’étude d’un modèle murin de RCIU par ligature utérine. Enfin, l’analyse de la dispersion fréquentielle est faisable chez la femme enceinte. La valeur ajoutée de la méthode développée devrait désormais être testée lors d’une large étude clinique. / Screening and diagnosis of placental insufficiency (PI), whether intrauterine growth restriction (IUGR) or preeclampsia (PE) are major public health issues. In clinical practice, the mechanical properties of the placenta are not explored; however changes in its tissue architecture could cause variations in elasticity. Among the ultrasound (US) elastography methods, transient elastography seemed suitable for such an application. This technique consists in calculating the shear wave speed (Cs) generated by an external vibration propagating in the medium under consideration. Elasticity values obtained from current US methods are calculated at a single frequency. As a structural modification of the tissue may correspond to a particular power law of frequency dispersion of Cs, we evaluated the interest of a multifrequency approach to distinguish the elasticity of healthy placentas and that of placentas with PI signs in the third trimester of pregnancy. We have developed a preliminary plane wave device (for ex vivo exploration) to validate the principle of the proposed method, and then a 2D transient elastography device (ex vivo and in vivo exploration). The data is adjusted using a fractional rheological model where the frequency behavior is modeled by a power law (exponent n of the model). We have shown that IUGR placentas have Cs and n values lower than those of healthy placentas or PE. This decrease in the n value could be explained by histopathological lesions of IUGR. As for the decrease of Cs in cases of IUGR, this result is consistent with the study of an IUGR rat model by uterine ligation. Finally, the frequency dispersion analysis is feasible in pregnant women. The added value of this method should now be tested in a large clinical study.

Le terme élastographie désigne les techniques d'imagerie dédiées à l'étude des propriétés mécaniques des tissus biologiques in vivo. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux de ces techniques. La première est l'élastographie quasi-statique par ultrasons permettant de mesurer les déformations locales induites dans un tissu sous l'action d'une contrainte globale. La seconde est l'élastographie par résonance magnétique (ERM) permettant d'accéder localement à une estimation du module de cisaillement. Pour cette dernière technique, une onde de cisaillement est générée au sein du milieu puis imagée a l'aide d'une séquence IRM spécifique. Les images d'ondes acquises permettent la reconstruction du module de cisaillement local. Dans le cadre de ces travaux, une nouvelle technique d'acquisition de l'image d'onde de cisaillement a été proposée, ainsi qu'une méthode de reconstruction du module de cisaillement basée sur l'estimation locale de fréquence par rapport de filtres. Un autre axe de recherche a consisté en l'étude de l'effet d'une précontrainte appliquée à un milieu sur son module de cisaillement mesuré par ERM. Cet effet a tout d'abord été étudié sur des milieux homogènes puis avec des milieux test hétérogènes. Dans ce dernier cas, l'utilisation de l'élastographie quasi-statique par ultrasons s'avère nécessaire pour accéder à la déformation locale du milieu. Cette dernière information a été combinée avec les informations obtenues en ERM pour extraire pour chaque région d'intérêt une courbe déformation/module de cisaillement / The term elastography refers to imaging techniques dedicated to the in vivo investigation of the mechanical properties of biological tissues. During this thesis, we focused on two elastography techniques. The first one is quasi-static ultrasound elastography, able to locally estimate tissue strain induced by a global deformation of a medium. The second one is Magnetic Resonance Elastography (MRE), able to measure the local shear modulus. In MRE, a shear wave is generated within the medium and imaged using a specific MRI sequence. The resulting wave images are then processed to estimate the local shear modulus. A new acquisition scheme of the shear wave images was proposed during this thesis. A method, based on local frequency estimation, was also developed for the estimation of the local shear modulus using the properties of a ratio of filters. Another research axis was the study of the effect of a prestrain application on the measured shear modulus. This effect was first studied with homogeneous media and then with heterogeneous test objects. In this last case, the use of quasi-static ultrasound elastography was necessary to locally access to the medium strain. This information was then combined with the information obtained using MRE to extract, for each region of interest, a strain/shear modulus curve

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette étude se place dans le cadre du guidage des thérapies par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). L’utilisation de l’échographie pour le guidage permet une visualisation temps réel mais un faible contraste. Afin de compenser ce manque de vision du traitement, deux études ont été mises en place. La première sur l’utilité de l’élastographie par compression manuelle en temps réel (23 à 60 images par seconde) a été réalisée et validée par deux protocoles in vivo. L’un a été effectué afin de visualiser des tumeurs VX2 dans le foie chez le lapin de manière extracorporelle et per-opératoire en utilisant une sonde de diagnostique linéaire (12MHz). L’autre a été réalisé sur des porcs avec la même sonde et avec une sonde d'imagerie sectorielle (7,5 MHz) placée au centre du transducteur HIFU. Une comparaison a été menée avec des images IRM des mêmes lésions réalisées après prélèvement de l’organe traité. Dans les deux cas, les élastogrammes assurent une meilleure visualisation des dimensions de la lésion (R=0,70) et un contraste plus important (23dB) en comparaison de l’échographie (R=0,65, contraste=3dB). La dernière partie de ces travaux a permis de démontrer que le signal ultrasonore rétrodiffusé par les tissus du foie change avec la température. Lors d’expériences in vitro et in vivo sur du foie de porc, ce changement de signal se corrèle (R=0,85) avec une hausse de température mesurée par un thermocouple positionné dans la zone focale du transducteur. Cette relation est linéaire positive in vitro et négative in vivo. Cette relation permet de calculer des images de température sur une plage de température allant de 20 à 100°C avec une précision de 5°C. / This study takes place under the guidance of high intensity focused ultrasound therapies (HIFU). The use of ultrasound for guidance allows real time monitoring, but low contrast. To compensate this lack of vision, two studies were set up. The first set up was used to evaluated usefulness of hand-held elastography in real time (23 to 60 frames per second) performed and validated by two in vivo protocols. One was performed to visualize VX2 tumors in the rabbit liver so extracorporeal and intraoperative using a diagnostic linear probe (12MHz). The other was carried out on pigs with the same probe but also with a sectorial imaging probe (7.5 MHz) placed in the center of the HIFU transducer. A comparison was conducted with MRI images of the same lesions performed after removal of the treated organ. In both cases, elastograms provide better visualization of the lesion size (R = 0.70) and higher contrast (23dB) compared to ultrasound (R = 0.65, contrast = 3dB). The last part of this work demonstrated that the ultrasound backscattered signal of the liver tissue changed with the temperature. In experiments on in vitro and in vivo pig livers, this changed of signal is linear and correlated (R = 0.85) with a rise in temperature measured by a thermocouple positioned in the focal zone of the transducer. The relation between backscattered signal and temperature is positive in vitro and negative in vivo. This relationship is linear and used to calculate temperature images with a range of 20 to 100 ° C and an accuracy of 5 ° C.

Cette thèse concerne le développement d'un cadre de contrôle robotique pour l'élastographie ultrasonore quantitative. L'élastographie ultrasonore est une technique qui dévoile les paramètres élastiques du tissu qui sont généralement liés à une pathologie. Cette thèse propose trois nouvelles approches robotiques différentes pour pour assister la procédure d'élastographie. La première approche concerne le contrôle d'un robot actionnant une sonde à ultrasons pour effectuer un mouvement de palpation nécessaire pour l'élastographie par ultrasons. L'élasticité du tissu est utilisée pour concevoir une loi d'asservissement afin de maintenir un tissu d'intérêt rigide dans le champ de vision de la sonde ultrasonore. De plus, l'orientation de la sonde est contrôlée par un utilisateur humain pour explorer différentes vues du tissu pendant que l'élastographie est effectuée. La seconde approche exploite le recalage d'images déformables avec des images ultrasonores pour estimer l'élasticité tissulaire et aider à la compensation automatique par asservissement visuel ultrasonore d'un mouvement introduit dans le tissu. La troisième approche offre une méthodologie pour ressentir l'élasticité du tissu en déplaçant une sonde virtuelle dans l'image ultrasonore avec un dispositif haptique pendant que le robot effectue un mouvement de palpation. Les résultats expérimentaux des trois approches robotiques obtenus sur des fantômes constitués de tissus démontrent l'efficacité des méthodes proposées et ouvre des perspectives intéressantes pour l'élastographie ultrasonore assistée par robot. / This thesis concerns the development of a robotic control framework for quantitative ultrasound elastography. Ultrasound elastography is a technology that unveils elastic parameters of a tissue, which are commonly related with certain pathologies. This thesis proposes three novel robotic approaches to assist examiners with elastography. The first approach deals with the control of a robot actuating an ultrasound probe to perform palpation motion required for ultrasound elastography. The elasticity of the tissue is used to design a servo control law to keep a stiff tissue of interest in the field of view of the ultrasound probe. Additionally, the orientation of the probe is controlled by a human user to explore other tissue while elastography is performed. The second approach exploits deformable image registration of ultrasound images to estimate the tissue elasticity and to help in the automatic compensation by ultrasound visual servoing of a motion introduced into the tissue. The third approach offers a methodology to feel the elasticity of the tissue by moving a virtual probe in the ultrasound image with a haptic device while the robot is performing palpation motion. Experimental results of the three robotic approaches over phantoms with tissue-like offer an excellent perspective for robotic-assistance for ultrasound elastography.

L’élastographie par ondes de cisaillement consiste essentiellement en deux étapes: d'abord, une onde de cisaillement est générée en appliquant soigneusement une source contrôlée externe (par exemple actionneur mécanique ou force de rayonnement ultrasonore); Alors les déplacements induits sont imagés et l'élasticité tissulaire est déduite de la propagation d'onde de cisaillement mesurée. Cependant, avec les techniques d'élastographie actuellement disponibles, l'estimation quantitative correcte de la viscosité n'est pas possible. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse est double: d'abord, développer un outil capable d'estimer simultanément les propriétés viscoélastiques d'un solide souple, notamment en utilisant l'imagerie par cisaillement supersonique, puis de l'appliquer aux certains problèmes rencontrés en médecine et l'industrie alimentaire.La première étape consiste à utiliser la technique SSI pour générer des cartes de vitesses des ondes de cisaillement dans des milieux solides mous et isotropes. Dans ce contexte, cette technique a été utilisée pour évaluer le processus de coagulation du lait. Au cours de cette étape, les limites de la technique SSI pour obtenir une caractérisation rhéologique complète des solides viscoélastiques sont mis en évidence. Pour parvenir à cette caractérisation, la vitesse de propagation ondes de cisaillement et la absorption que l’onde subi en traversant le milieu doivent être évalués à la fois. Compte tenu des caractéristiques de la technique SSI, en raison des effets de diffraction due à la taille finie des sources, l’absorption ne peut pas être obtenue correctement de façon quantitative.La partie centrale de la thèse porte sur l’étude des avantages et des ses limites de la correction des effets de diffraction de la technique SSI à partir d’une approximation cylindrique. Cette étude a été réalisée expérimentalement en comparant les résultats obtenus avec ceux des simulations numériques. L’étude a montré que la correction cylindrique est utile pour estimer l'atténuation provoquée par l'absorption dans certaines conditions. Une fois déterminé la zone de validité de la procédure de correction, des cartes des vitesses et des cartes d'atténuation ont était obtenus. Ces cartes ont permis t la caractérisation rhéologique complète des milieux étudiés.Une fois validé cette correction nous avons procédé à réaliser trois applications d'intérêt pour obtenir les propriétés rhéologiques, une pour l’ industrie alimentaire et deux pour la médecine clinique : a) suivie et étude du processus de coagulation du lait b) suivie et étude de processus de la coagulation du sang in vitro, c) des expériences de caractérisation rhéologique du foie in vivo. Finalement, une étude de la correction cylindrique mis en œuvre a été utilisée pour caractériser rhéologiquement des solides mous avec isotropie transversale. Milieux avec différents degrés d'anisotropie ont été analysés à l'aide de simulations numériques. Les résultats obtenus montrent que pour de faibles niveaux d’anisotropie la correction cylindrique s’avère utile avec une erreur raisonnable. Pour des degrés plus élevés d'anisotropie la correction cylindrique conduit à des erreurs majeures dans l'estimation de l'atténuation. Des mesures des coefficients d’absorption ont été réalisées dans des phantoms de gel anisotropes et dans des échantillons de viande de bœuf avec des tissues musculaire / Shear wave elastography consists essentially of two steps: first, a shear wave is generated by an external controlled source (eg mechanical actuator or ultrasonic radiation force); then the induced displacements are imaged and the tissue elasticity is deduced from the measured shear wave propagation. However, with the currently available elastographic techniques, a quantitative estimation of viscosity is not possible. In this context, the objective of this thesis is twofold: first, to develop a tool capable of estimating the viscoelastic properties of a soft solid, in particular by using supersonic shear imaging (SSI), and then to apply it to some problems encountered in medicine and the food industry.The first stage consisted in using the SSI technique to generate shear wave velocity maps in soft, isotropic solid media. In this context, this technique was used to evaluate the milk coagulation process. During this stage, limitations of the SSI technique to obtain a complete rheological characterization of viscoelastic solids were demonstrated. To achieve this characterization, the velocity of the shear waves and the absorption generated when passing through the medium must be evaluated at the same time. Given the characteristics of the SSI technique, the absorption cannot be directly quantified due to diffraction.The central part of the thesis focuses in the study of the advantages and limitations of using a cylindrical approximation to correct the diffraction effects. This study was carried out experimentally and through numerical simulations. The study showed that cylindrical correction is useful for estimating the attenuation caused by absorption under certain conditions. After determining the validity zone of the correction, velocity and attenuation maps were obtained. These maps allowed the complete rheological characterization of the studied media.Once the correction was validated, three applications of interest were carried out to obtain rheological properties, one for the food industry and two for clinical medicine: a) monitoring the process of milk coagulation through storage and loss moduli maps b) following in vitro blood coagulation processes, c) rheological characterization experiments of the liver in vivo. Finally, the application of the cylindrical correction to characterize transversely isotropic soft solids was studied. Media with different degrees of anisotropy were analyzed through numerical simulations. The results obtained showed that for low levels of anisotropy the cylindrical correction proves useful within a reasonable error. For higher degrees of anisotropy the cylindrical correction leads to major errors in the estimation of the attenuation. Measurements of the absorption coefficients were performed in anisotropic gel phantoms and in beef samples with muscle tissue

Au cours de ce travail, nous avons étudié une méthode de caractérisation des milieux mous combinant ondes optiques et mécaniques. Cette méthode s'appuie sur une détection optique d'un mouvement transitoire causé par la force de radiation acoustique, induit en profondeur de milieux mous optiquement diffusants. Le mouvement consiste en un déplacement initialement au foyer acoustique qui se propage par la suite dans le milieu sous forme d'ondes de cisaillement. Le principe de la détection est basé sur l'illumination du milieu avec une lumière cohérente. La lumière traverse le milieu en étant fortement diffusée, produisant une figure d'interférence (speckle) en transmission. Avec une caméra rapide (2 kHz) méga-pixel, nous enregistrons des figures de speckle avant et pendant le mouvement transitoire. Nous calculons ensuite la corrélation des figures de speckle dans le temps. Cette technique, de par son mode d'excitation et de détection, s'est avérée sensible à des contrastes d'absorption optique et des contrastes de module de cisaillement dans des milieux mous épais et optiquement diffusant. De plus, des images de ces deux types de contrastes ont pu être obtenues, avec une résolution millimétrique pour les contrastes d'élasticité. L'étude expérimentale a été appuyée par une approche de modélisation des phénomènes physiques, basée sur le couplage de modèle de propagation d'ondes élastiques engendrées par la pression de radiation ultrasonore et de propagation des ondes optiques dans les milieux multi-diffusifs.

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.

Cette étude se place dans le cadre du guidage des thérapies par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). L'utilisation de l'échographie pour le guidage permet une visualisation temps réel mais un faible contraste. Afin de compenser ce manque de vision du traitement, deux études ont été mises en place. La première sur l'utilité de l'élastographie par compression manuelle en temps réel (23 à 60 images par seconde) a été réalisée et validée par deux protocoles in vivo. L'un a été effectué afin de visualiser des tumeurs VX2 dans le foie chez le lapin de manière extracorporelle et per-opératoire en utilisant une sonde de diagnostique linéaire (12MHz). L'autre a été réalisé sur des porcs avec la même sonde et avec une sonde d'imagerie sectorielle (7,5 MHz) placée au centre du transducteur HIFU. Une comparaison a été menée avec des images IRM des mêmes lésions réalisées après prélèvement de l'organe traité. Dans les deux cas, les élastogrammes assurent une meilleure visualisation des dimensions de la lésion (R=0,70) et un contraste plus important (23dB) en comparaison de l'échographie (R=0,65, contraste=3dB). La dernière partie de ces travaux a permis de démontrer que le signal ultrasonore rétrodiffusé par les tissus du foie change avec la température. Lors d'expériences in vitro et in vivo sur du foie de porc, ce changement de signal se corrèle (R=0,85) avec une hausse de température mesurée par un thermocouple positionné dans la zone focale du transducteur. Cette relation est linéaire positive in vitro et négative in vivo. Cette relation permet de calculer des images de température sur une plage de température allant de 20 à 100°C avec une précision de 5°C.

Ces travaux de thèse portent sur la mise au point d'une technique d'élastographie quantitative à haute résolution pour l'estimation des propriétés biomécaniques de la cornée et de la peau. Pour cela, nous avons implémenté la méthode Supersonic Shear wave Imaging (SSI) à des fréquences ultrasonores atteignant 20 MHz. L'élastographie SSI consiste à déterminer la rigidité d'un milieu à partir de la vitesse de propagation d'une onde de cisaillement dans ce milieu. La géométrie de la cornée et de la peau, qui sont des organes d'épaisseur submillimétrique, impose un guidage des ondes de cisaillement le long des interfaces de ces organes, engendrant des phénomènes dispersifs. Nous avons donc dans un premier temps développé un modèle permettant de calculer quantitativement le module d'Young à partir des courbes de dispersion de l'onde de cisaillement. Dans un second temps, nous avons mis en application l'élastographie SSI pour obtenir des cartographies des propriétés élastiques de cornées porcines ex vivo et in vivo et du derme humain in vivo. Le comportement élastique anisotrope et non-linéaire de ces deux tissus a ainsi pu être observé. Nous avons ensuite réalisé une étude préclinique en ophtalmologie, qui démontre la faisabilité d'utiliser l'élastographie SSI pour évaluer in vivo le durcissement cornéen induit par un traitement appelé " cross-linking de collagène cornéen ". Enfin, nous avons mené deux études cliniques en dermatologie. L'une a permis d'étudier les variations d'élasticité du derme au cours du vieillissement, l'autre concerne la caractérisation de lésions cutanées.