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 dose delivery. Organs motions between and during the irradiation fraction are a limiting factor for achieving a high quality treatment of mobile tumor localizations. In particular, hypofractionation was demonstrated as a promising strategy for prostate cancer treatment, whereas a high digestive toxicity cannot be excluded.During this thesis, motions of the target volume were quantified during radiotherapy delivered for treating a prostate cancer, on the prostatic gland or after a prostatectomy. An innovative imaging modality was used, based on two different ultrasound (US) probes: a transabdominal (TA) probe and a transperineal (TP) probe. Contrary to US systems previously commercialized, motions between simulation and treatment sessions were quantified with a monomodal registration US/US. Moreover, intrafraction motions of the target volume were recorded with the TP probe, since images can be continuously acquired with this probe. A methodology for evaluating the performances of the TA and TP probes were developed for the correction of interfractions motions, in clinical conditions. US data were compared with the current reference modality, the Cone Beam Computed Tomography (CBCT). Moreover, the uncertainties on the target localization due to the variability of the probe pressure and to inter-operator variability of the manual US/US registration were quantified for the first time. Poor agreements of the interfraction motions measurements were found between US and CBCT modalities, using the TA probe. Furthermore, a high variability of the TA probe pressure and of the inter-operator registration was observed. Using the TP probe, a corrective method of the US reference image localization was developed and validated, leading to a high agreement with the CBCT modality.Intrafraction motions were observed with the TP probe, and were highly patient and session dependent. A dosimetric study was proposed to evaluate the impact of the intrafraction motion on the dose delivery. The effects were patient dependent and more important when the treatment was simulated using a hypofractionated strategy.

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 signals by using the proposed concept of normal vector. This concept models how displacement will change RF signals. The proposed methods are compared in simulation and experimentally to a reference blockmatching technique and show a improvement of resolution. Proposed methods resolution are up to 1.5µm in the transverse direction and 2.5µm in the axial direction at a frequency of 5MHz. We also proposed a new beamforming technique that estimate the spectrum of the ultrasound image. This method is compatible with RF signals used by motion estimation methods.

L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose). Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements. / Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis). The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing). Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments.

L’objectif de cette thèse est de proposer un algorithme de segmentation et de suivi du myocarde basé sur le formalisme des ensembles de niveaux. Nous modélisons dans un premier temps le myocarde par un modèle géométrique (hyperquadriques) qui permet de représenter des formes asymétriques telles que le myocarde tout en évitant une étape d’apprentissage. Ce modèle est ensuite inclus dans le formalisme des ensembles de niveaux afin de servir de contrainte de forme lors de la segmentation simultanée de l’endocarde et de l’épicarde. Ce terme d’a priori de forme est couplé à un terme local d’attache aux données ainsi qu’à un terme évitant la fusion des deux contours. L’algorithme est validé sur 80 images en fin systole et en fin diastole segmentées par 3 cardiologues. Dans un deuxième temps, nous proposons de segmenter l’ensemble d’une séquence en utilisant l’information de mouvement. Dans ce but, nous faisons l’hypothèse de conservation des niveaux de la fonction implicite associée à l’ensemble de niveaux et l’exprimons comme une énergie dans un formalisme variationnel. Cette énergie est ensuite ajoutée à l’algorithme décrit précédemment pour la segmentation statique du myocarde afin de contraindre temporellement l’évolution du contour. L’algorithme est alors validé sur 20 séquences échocardiographiques (soit environ 1200 images) segmentées par 2 experts. / The aim of this work is to propose an algorithm to segment and track the myocardium using the level-set formalism. The myocardium is first approximated by a geometric model (hyperquadrics) which allows to handle asymetric shapes such as the myocardium while avoiding a learning step. This representation is then embedded into the level-set formalism as a shape prior for the joint segmentation of the endocardial and epicardial borders. This shape prior term is coupled with a local data attachment term and a thickness term that prevents both contours from merging. The algorithm is validated on a dataset of 80 images at end diastolic and end systolic phase with manual references from 3 cardiologists. In a second step, we propose to segment whole sequences using motion information. To this end, we apply a level conservation constraint on the implicit function associated to the level-set and express this contraint as an energy term in a variational framework. This energy is then added to the previously described algorithm in order to constrain the temporal evolution of the contour. Finally the algorithm is validated on 20 echocardiographic sequences with manual references of 2 experts (corresponding to approximately 1200 images).

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 be divided into tissue harmonic imaging and contrast harmonic imaging, according to where the nonlinear signals come from. Contrast harmonic imaging emerges because contrast agents, which are intravenously injected to enhance the weak echoes backscattered from blood cells, can vibrate nonlinearly when they undergo an acoustic pressure. Then, these nonlinear signals backscattered by contrast agents are collected to form harmonic images. However, during the wave propagation in tissue, the harmonics of the transmitted wave are also generated in tissue. The presence of tissue harmonic signals degrades the image quality in contrast harmonic imaging. This thesis aims to better distinguish the echoes from contrast agents and the echoes from tissue, whether through designing new modalities, or investigating and optimizing the existing modalities. Our efforts are mainly focused on the multi-pulse techniques in ultrasound contrast imaging. Firstly, we propose a mathematical background to generalize most of the multi-pulse ultrasound imaging techniques that have been described in previous literatures. The formulation can be used to predict the nonlinear components in each frequency band and to design new transmission sequences to either increase or decrease specified nonlinear components in each harmonic band. Simulation results on several multi-pulse techniques are in agreement with the results given in previous literatures. Secondly, the techniques using multiple transmissions to increase the CTR are generally based on the response of static scatterers inside the imaged region. However, scatterer motion, for example in blood vessels, has an inevitable influence on the relevance of the techniques. It can either upgrade or degrade the technique involved. Simulations, in-vitro experiments from a single bubble and clouds of bubbles, and in-vivo experiments from rats show that the phase shift of the echoes backscattered from bubbles is dependent on the transmissions’ phase shift, and that the bubble motion influences the efficiency of multi-pulse techniques. Furthermore, experimental results based on the second-harmonic inversion (SHI) technique reveal that bubble motion can be taken into account to optimize multi-pulse techniques. Besides, a new technique, called double pulse inversion (DPI), has also been proposed. The PI technique is applied twice before and after the arrival of the contrast agents to the region of interest. The resulting PI signals are substracted to suppress the tissue-generated harmonics and to improve CTR. Simulations and in-vitro experimental results have shown an improved CTR of DPI. However, the presence of tissue movements may hamper the effectiveness of this technique. In-vivo experimental results confirm that the tissue motion of the rat during the acquisition is an inevitable barrier of this technique.

Il ne fait aucun doute que le coût relativement faible des échographes, la procédure rapide et la capacité d’imager des tissus biologiques mous ont permis à l’échographie de devenir l’un des outils de diagnostic médical les plus courants. Malheureusement, l’imagerie ultrasonore présente encore des inconvénients par rapport à d’autres techniques d’imagerie médicale, principalement en termes de qualité d’image et de détails fournis. Dans le souci d’améliorer la qualité d’image, le prix à payer est généralement la baisse de la cadence d’acquisition. Ce compromis profondément enraciné entre la qualité d'image fournie et le temps d'acquisition est peut-être l'un des plus difficiles verrous de la recherche dans le domaine de l’échographie et son dépassement pourrait mener à des meilleures performances des applications existantes et même à des nouvelles utilisations de l’échographie. Ce travail de thèse porte sur l’amélioration du compromis précédemment indiqué entre la qualité d’image et la cadence d’acquisition. En combinant des concepts tels que l’imagerie par ondes planes, les systèmes à entrées multiples / sorties multiples et les problèmes inverses, ce travail vise à acquérir simultanément des images ultrasonores du tissu insonifié, ce qui permet d’augmenter la cadence d’acquisition sans réduire la qualité de l’image fournie. À travers cette étude, nous avons mis au point un modèle mathématique permettant de modéliser la propagation des ondes ultrasonores dans les tissus mous. Ce modèle a été utilisé pour passer en revue un grand nombre de schémas d’acquisition en échographie déjà existants et pour exposer leurs avantages et leurs inconvénients. Nous avons proposé de surmonter le compromis qualité / cadence d’acquisition d'images en utilisant des ondes ultrasonores codées temporellement émises simultanément, et le modèle direct généré a permis l'utilisation des différentes approches de problèmes inverses afin de reconstruire la réponse impulsionnelle pulse / écho du milieu insonifié et donc de son image. De plus, nous avons encore amélioré le modèle direct, ce qui nous a permis de relier directement les échos rétrodiffusés à la position / magnitude des diffuseurs à l'intérieur du milieu imagé. Les résultats fournies par les approches de problèmes inverses basées sur ce modèle amélioré nous ont mis devant une méthode de pointe qui non seulement améliorent d’un facteur conséquent la qualité de l'image en termes de résolution et de cohérence du speckle, mais permettent également d'améliorer la cadence d'acquisition d’images. / It is beyond doubt that the relative low cost of ultrasound scanners, the quick procedure and the ability to image soft biological tissues helped ultrasound imaging to become one of the most common medical diagnostic tools. Unfortunately, ultrasound still has some drawbacks when compared to other medical imaging techniques mainly in terms of the provided image quality and details. In the quest for an improved image quality, usually, the price to pay is the drop in the frame acquisition rate. This deep rooted trade-off between the provided image quality and the acquisition time is perhaps one of the most challenging in today’s ultrasound research and its overcoming could lead to diagnostic improvements in the already existing ultrasound applications and even pave the way towards novel uses of echography. This study addresses the previously stated trade-off. Through a mix of such concepts as plane wave imaging, multiple-input /multiple-output systems and inverse problems, this work aims at acquiring ultrasound images of the insonified tissue simultaneously, thus providing an increased frame rate while not degrading the image quality. Through this study we came up with a mathematical model that allows modelling the ultrasound wave propagation inside soft tissues. This model was used to review a great number of existing ultrasound acquisition schemes and to expose their advantages and drawbacks. We proposed to overcome the image quality / frame rate trade-off by using temporally encoded ultrasound waves emitted simultaneously, and the generated direct model enabled the use of different inverse problem approaches in order to reconstruct the pulse-echo impulse response of the insonified medium and thus its image. Moreover, we further improved the direct model, which allowed us to directly link the backscattered echoes to the position / magnitude of the scatterers inside the imaged medium. The results yielded by the inverse problem approaches based on the former model put us face to face with state of the art method that not only increase the image quality several times in terms resolution and speckle coherence but also provide a boost in frame acquisition rate.

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 wave imaging methods, the reconstruction of 2D/3D echocardiographic sequences in Fourier domain using diverging waves is addressed. The main contributions are as follows: The first contribution concerns the study of the influence of transmission scheme in the context of 2D plane wave imaging. A dichotomous transmission scheme was proposed. Results show that the proposed scheme allows the improvement of the quality of the reconstructed B-mode images at a constant frame rate. Then we proposed an alternative Fourier-based plane wave imaging method (i.e. Ultrasound Fourier Slice Beamforming). The proposed method was assessed using numerical simulations and experiments. Results revealed that the method produces very competitive image quality compared to the state-of-the-art methods. The third contribution concerns the extension of Fourier-based plane wave imaging methods to sectorial imaging in 2D. We derived an explicit spatial transformation which allows the extension of the current Fourier-based plane wave imaging techniques to the reconstruction of sectorial scan using diverging waves. Results obtained from simulations and experiments show that the derived methods produce competitive results with lower computational complexity when compared to the conventional delay and sum (DAS) technique. Finally, the 2D Fourier-based diverging wave imaging methods are extended to 3D. Numerical simulations were performed to evaluate the proposed method. Results show that the proposed approach provides competitive scores in terms of image quality compared to the DAS technique, but with a much lower computational complexity.

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.

L'échographie est aujourd'hui l'une des modalités les plus populaires de diagnostic médical. Il permet d'observer, en temps réel, le mouvement des organes qui facilite le diagnostic des pathologies pour des médecins. L'échocardiographie [1, 2], l'imagerie du flux sanguin [3, 4] et l’élastographie [5-7] sont les domaines préférés de l'estimation de mouvement en utilisant l'échographie (en raison de son haut frame-rate).En conséquence, les images avec meilleurs qualités sont nécessaires. . En imagerie cardiaque, le système classique d'imagerie est limité dans la direction transversale (la direction perpendiculaire à celle de propagation). Travaillant sur la formation des images, ce problème peut être résolu en modifiant la façon de formateur de voie afin d'introduire des oscillations transversales (OTs) dans la fonction d’étalement du point (PSF). La technique d’oscillation transversale a montré son potentiel d'améliorer la précision de l'estimation de mouvement local dans la direction transversale (la direction perpendiculaire à celle de propagation). La classique OT en géométrie linéaire, basée sur l'approximation de Fraunhofer, relie la PSF et la fonction de pondération par la transformée de Fourier. Motivé par l'adaptation des OTs en échocardiographie, nous proposons une technique spécifique basée sur la rétro-propagation afin de construire des OTs en géométrie sectorielle. La performance de la méthode de rétro-propagation proposée a été étudiée progressivement, comparée avec la méthode de la transformée de Fourier, par exemple, l'évaluation de la qualité de la PSF quantifié, dans l'estimation de mouvement cardiaque en simulation, et en étude la qualité des PSF visuellement expérimentale. Les résultats quantifiés montrent les OT-images sont mieux contrôlés par la méthode proposée que par le formateur de voie conventionnelle. Une autre méthode, basée sur la décomposition d'onde plane et un principe différent de rétro-propagation, a été présentée. Cette méthode mieux prend en compte la propriété 2D de PSF, en décomposant la PSF dans un ensemble d'ondes planes directionnelle, les rétro-propage à la sonde, en utilisant les résultats de superposition comme excitations, un PSF simulée et conforme fortement au PSF théorique est acquis. En adaptant cette méthode à la géométrie sectorielle, la qualité de la PSF obtenue en face et sur la côté de la sonde est meilleure en utilisant la décomposition en ondes planes à celle de la transformée de Fourier, le travail supplémentaire sera adressé à adapter la décomposition en ondes planes à imagerie sectorielle et l’estimation du mouvement. / Echography is nowadays one of the most popular medical diagnosis modalities. It enables real-time observation the motion of moving organs which facilitates the diagnosis of pathologies for physician. Echocardiography [1, 2], blood flow imaging [3, 4] and elastography [5-7] are the favorite domains of motion estimation in using of echography (e.g., due to its high frame-rate capacity). Thus the requirements for imaging with high quality are on the primary place. In cardiac imaging, the conventional imaging system is somehow limited in the transverse direction (the direction perpendicular to the beam axis). Working on the image formation, this problem can be addressed by modifying the beamforming scheme in order to introduce transverse oscillations (TOs) in the system point spread function (PSF). Transverse oscillation techniques have shown their potential for improving the accuracy of local motion estimation in the transverse direction (i.e., the direction perpendicular to the beam axis). The conventional design of TOs in linear geometry, which is based on the Fraunhofer approximation, relates PSF and apodization function through a Fourier transform. Motivated by the adaptation of TOs in echocardiography, we propose a specific beamforming approach based on back-propagation in order to build TOs in sectorial geometry. The performance of the proposed back-propagation method has been studied gradually, in comparison with the Fourier transform, such as in evaluation of the quality of PSF, in estimation of simulated cardiac motion and in experiments study, etc. The quantified results demonstrate the proposed method leads to better controlled TOs images than the conventional beamforming. Another method based on plane wave decomposition and a different back-propagation principle has been presented. This method is better taking into account the 2D property of PSF, by decomposing the PSF into a set of plane waves directionally, back-propagating them to the probe, by using the superposition results as excitations, a simulated PSF with high accordance to the theoretical one is acquired. By adapting this method to sectorial geometry, the quality of PSF obtained in front of probe is better using the plane wave decomposition method than that of Fourier relation, but it is limited for the scanning on the side of probe, so the further work will be addressed to adapting the plane wave decomposition method to the complete sectorial imaging.

L'imagerie photoacoustique (IPA) des tissus biologiques permet de combiner les avantages des imageries optique et ultrasonore. Le principal contraste endogène pour l’IPA provient des vaisseaux sanguins en raison de la forte absorption de l'hémoglobine par rapport aux tissus environnants. De plus, les vaisseaux sanguins sont à peu près cylindriques et la concentration d'hémoglobine peut être supposée uniforme à l'intérieur des veines. Comme première contribution, nous avons développé dans cette thèse un modèle analytique de fluence optique pour plusieurs inhomogénéités cylindriques parallèles incorporées dans un milieu turbide. Les modèles analytiques n’existent que pour les cas simples. Pour traiter des situations plus complexes, comme les tissus biologiques, les méthodes numériques sont nécessaires. La deuxième contribution de cette thèse consiste à développer un solveur multigrilles de l'équation de diffusion optique et donc de proposer une méthode numérique efficace pour résoudre la fluence optique. Enfin, notre troisième contribution concerne la reconstruction de la tomographie quantitative photoacoustique (TQPA). Basée sur les modèles efficaces présentées dans les première et seconde contributions, nous avons proposé une méthode de reconstruction basée sur le modèle direct analytique pour les cas simples et une méthode d'inversion basée sur multigrille pour les cas plus réalistes. Les avantages de la méthode d'inversion basée sur multigrille sont présentés à la fois en terme de temps de calcul et de vitesse de convergence. Une validation expérimentale est présentée dans le dernier chapitre de cette thèse, prouvant la validité et l'analyse des performances des méthodes développées. / Photoacoustic imaging (PAI) of biological tissues tries to combine the advantages of optical and acoustical imaging. The main endogenous contrast for PAI is derived from blood vessels due to the strong absorption of hemoglobin compared to the background tissues. Furthermore, blood vessels are roughly cylindrical and hemoglobin concentration can be assumed to be uniform inside the vessel. Therefore, the blood vessels can be considered as “cylindrical inhomogeneities”. As a first contribution, we have developed in this thesis an analytical model of optical fluence for multiple parallel cylindrical inhomogeneities embedded in an otherwise homogeneous turbid medium. Analytical models only exist for simple cases. To deal with more complex situations like biological tissues, numerical methods are required. The second contribution of this thesis is to develop a multigrid solver of optical diffusion equation and therefore to propose an efficient numerical method to resolve the optical fluence. Finally, our third contribution is concerned with quantitative PA tomography (QPAT) reconstruction. Based on the efficient models presented in the first and second contributions, we have proposed an analytic-based reconstruction method for simple cases and a multigrid-based inversion scheme for more realistic cases. The advantages of multigrid-based inversion scheme are shown in both computation and convergence speed. An experimental validation is presented in the last chapter of this thesis, proving the validity and analyzing the performances of the developed methods.