The aim of the master’s thesis, is to get acquainted with the dynamic focusing in conventional ultrasound systems, to modify this method for ultrasound computer tomography and to realize and interpret this modification on simulated and real data in a transparent graphic interface. The modification of the dynamic focusing was executed for the 3D ultrasound computer tomograph developed in Karlsruhe. Simulated data, that are necessary for focusing, were generated by existing program, which was adjusted. The new created program of the dynamic focusing was tested and evaluated with those simulated and real data.

Une interface vocale silencieuse (SSI) est un système permettant une communication vocale à partir d’un signal non audible. Un tel système emploie des capteurs qui enregistrent des données non-acoustiques, pour la reconnaissance et la synthèse vocales. Cependant, l’extraction des caractéristiques articulatoires robustes à partir de ces signaux reste un défi. La langue est une composante majeure de l'appareil vocal, et l'articulateur le plus important dans la production de parole. Une simulation réaliste du mouvement de la langue en 3D peut fournir une représentation visuelle directe et efficace de la production de parole. Cette représentation pourrait à son tour être utilisée pour améliorer les performances de reconnaissance vocale d'un SSI, ou servir d'outil dans le cadre de recherches sur la production de parole et de l'étude des troubles de l'articulation. Dans cette thèse, nous explorons un nouveau cadre de visualisation en trois dimensions de la langue, qui combine l'imagerie échographique 2D et une technique de modélisation tridimensionnelle fondée sur la physique. Tout d'abord, différentes approches sont utilisées pour suivre le mouvement de la langue dans les séquences d'images échographiques, qui peuvent être regroupées en deux principaux types de méthodes : le suivi de la granularité et le suivi de contour. Les méthodes de suivi du chatoiement (speckle tracking) comprennent le recalage de déformations (deformation registration), le flux optique, et la méthode de transformation de caractéristiques visuelles invariante à l'échelle (Scale-invariant feature transform, ou SIFT). En outre, une méthode de suivi réinitialisation basée sur l'image est proposée afin d'améliorer la robustesse du suivi du chatoiement. En comparaison avec le suivi de chatoiement, l'extraction du contour de la surface de la langue à partir d'images échographiques présente des performances supérieures et une meilleure robustesse. Dans cette thèse, un nouvel algorithme de suivi de contour est présenté pour des séquences d'images échographiques de la langue. Cet algorithme permet de suivre le mouvement des contours de la langue sur de longues durées avec une bonne robustesse. Pour résoudre la difficulté causée par les segments manquants dus au bruit ou celle causée par la surface mi-sagittale de la langue qui est parallèle à la direction de propagation de l'onde ultrasonore, nous proposons d’utiliser des contours actifs avec une contrainte de similitude de contour, qui fournissent des informations a priori sur la forme de la langue. Des expériences sur des données synthétiques et sur des images réelles acquises sur différents sujets à la cadence de 60 images par seconde montrent que la méthode proposée donne un bon contour de suivi pour ultrasons des séquences d'images, même sur des durées de quelques minutes. Cette technique peut par conséquent être utile dans des applications telles que la reconnaissance vocale où de très longues séquences doivent être analysées dans leur intégralité… / A silent speech interface (SSI) is a system to enable speech communication with non-audible signal, that employs sensors to capture non-acoustic features for speech recognition and synthesis. Extracting robust articulatory features from such signals, however, remains a challenge. As the tongue is a major component of the vocal tract, and the most important articulator during speech production, a realistic simulation of tongue motion in 3D can provide a direct, effective visual representation of speech production. This representation could in turn be used to improve the performance of speech recognition of an SSI, or serve as a tool for speech production research and the study of articulation disorders. In this thesis, we explore a novel 3D tongue visualization framework, which combines the 2D ultrasound imaging and 3D physics-based modeling technique. Firstly, different approaches are employed to follow the motion of the tongue in the ultrasound image sequences, which can be divided into two main types of methods: speckle tracking and contour tracking. The methods to track speckles include deformation registration, optical-flow, and local invariant features-based method. Moreover, an image-based tracking re-initialization method is proposed to improve the robustness of speckle tracking. Compared to speckle tracking, the extraction of the contour of the tongue surface from ultrasound images exhibits superior performance and robustness. In this thesis, a novel contour-tracking algorithm is presented for ultrasound tongue image sequences, which can follow the motion of tongue contours over long durations with good robustness. To cope with missing segments caused by noise, or by the tongue midsagittal surface being parallel to the direction of ultrasound wave propagation, active contours with a contour-similarity constraint are introduced, which can be used to provide “prior” shape information. Experiments on synthetic data and on real 60 frame per second data from different subjects demonstrate that the proposed method gives good contour tracking for ultrasound image sequences even over durations of minutes, which can be useful in applications such as speech recognition where very long sequences must be analyzed in their entirety…

Η παρούσα Εργασία εκπονήθηκε στον Τομέα Ρευστών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΘΝΙΚΟΥ ΜΕΤΣΟΒΙΟΥ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΥ. Η εργασία αποσκοπεί: Α) Στην εξοικείωση των συμμετασχόντων με τον έγχρωμο υπερηχοκαρδιογραφο Vivid 7 της GE. Β) Στον έλεγχο της αξιοπιστίας των μεθόδων έγχρωμου Doppler (Color Doppler), παλμικού Doppler και M-mode στο υπολογισμό της παροχής και την σύγκριση μεταξύ τους. Γ) Στην εύρεση πιθανών αιτιών στις αποκλίσεις των μεθόδων, έτσι ώστε οι κώδικες που αναπτύχθηκαν σε MATLAB για έγχρωμο Doppler και Μ-mode να βελτιωθούν στο μέλλον. Δ) Στην δημιουργία μιας αρχικής βάσης δεδομένων για τις παροχές και τις διαμέτρους που μετρούνται in vivo προεγχειρητικά σε χοίρους, που χρησιμοποιούνται σε ερευνητικό πρόγραμμα ΠΕΝΕΔ. Η Εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια θεωρητική προσέγγιση του θέματος, με ανάλυση της αρχής Doppler, καθώς και των μεθόδων μέτρησης και απεικόνισης με συστήματα Doppler. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία, τόσο η δική μας, όσο και παλαιότερες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται κάποια αποτελέσματα και συμπεράσματα των δικών μας πειραμάτων. / The present project was elaborated at National Technical University of Athens, School of Mechanical Engineering, Fluids Section, and it aims at: A)The familiarization of the participants with the Color Vivid7 Dimension, Cardiovascular Ultrasound System of GE B)The control of credibility of the methods of Color Doppler, Pulsed Wave Doppler and M-Mode at the calculation of flow and their comparison C)The finding of possible causes of the deviations of these methods, with the intention of MATLAB Color and M-Mode Doppler codes improvement D)The creation of a database concerning flows and diameters calculated in vivo, prior to the surgery, in pigs used at a Research Program of Athens Academy Medical-Biological Center. This Project is divided in three parts. On first part a theoritical approach of the issue is presented, analyzing the Doppler Principal, as well as the methods used for Doppler Imaging. On the second part the experimental procedures are presented, both ours and of others. On the third part a number of results and conclusions are presented.

Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d'images biomédicales. L'objectif de notre étude est l'estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l'artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce de la pathologie cardiovasculaire. L'analyse du mouvement longitudinal des tissus de la paroi artérielle, i.e. dans la même direction que le flux sanguin, représente la motivation majeure de ce travail. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement d'un cadre méthodologique original et semi-automatique, dédié à la segmentation et à l'estimation du mouvement de la paroi artérielle dans des séquences in vivo d'images ultrasonores mode-B, ii) la description d'un protocole de génération d'une référence, faisant intervenir les opérations manuelles de plusieurs experts, dans le but de quantifier la précision des résultats de notre méthode malgré l'absence de vérité terrain inhérente à la modalité échographique, et iii) l'évaluation clinique de l'association entre les paramètres mécaniques et dynamiques de la paroi carotidienne et les facteurs de risque cardiovasculaire dans le cadre de la détection précoce de l'athérosclérose. Nous proposons une méthode semi-automatique, basée sur une approche conjointe de segmentation des contours de la paroi et d'estimation du mouvement des tissus. L'extraction de la position des interfaces est réalisée via une approche spécifique à la structure morphologique de la carotide, basée sur une stratégie de programmation dynamique exploitant un filtrage adapté. L'estimation du mouvement est réalisée via une méthode robuste de mise en correspondance de blocs (block matching), basée sur la connaissance du déplacement a priori ainsi que sur la mise à jour temporelle du bloc de référence par un filtre de Kalman spécifique. La précision de notre méthode, évaluée in vivo, correspond au même ordre de grandeur que celle résultant des opérations manuelles réalisées par des experts, et reste sensiblement meilleure que celle obtenue avec deux autres méthodes traditionnelles (i.e. une implémentation classique de la technique de block matching et le logiciel commercial Velocity Vector Imaging). Nous présentons également quatre études cliniques réalisées en milieu hospitalier, où nous évaluons l'association entre le mouvement longitudinal et les facteurs de risque cardiovasculaire. Nous suggérons que le mouvement longitudinal, qui représente un marqueur de risque émergent et encore peu étudié, constitue un indice pertinent et complémentaire aux marqueurs traditionnels dans la caractérisation de la physiopathologie artérielle, reflète le niveau de risque cardiovasculaire global, et pourrait être bien adapté à la détection précoce de l'athérosclérose.

Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d'images biomédicales. L'objectif de notre étude est l'estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l'artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce de la pathologie cardiovasculaire. L'analyse du mouvement longitudinal des tissus de la paroi artérielle, i.e. dans la même direction que le flux sanguin, représente la motivation majeure de ce travail. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement d'un cadre méthodologique original et semi-automatique, dédié à la segmentation et à l'estimation du mouvement de la paroi artérielle dans des séquences in vivo d'images ultrasonores mode-B, ii) la description d'un protocole de génération d'une référence, faisant intervenir les opérations manuelles de plusieurs experts, dans le but de quantifier la précision des résultats de notre méthode malgré l'absence de vérité terrain inhérente à la modalité échographique, et iii) l'évaluation clinique de l'association entre les paramètres mécaniques et dynamiques de la paroi carotidienne et les facteurs de risque cardiovasculaire dans le cadre de la détection précoce de l'athérosclérose. Nous proposons une méthode semi-automatique, basée sur une approche conjointe de segmentation des contours de la paroi et d'estimation du mouvement des tissus. L'extraction de la position des interfaces est réalisée via une approche spécifique à la structure morphologique de la carotide, basée sur une stratégie de programmation dynamique exploitant un filtrage adapté. L'estimation du mouvement est réalisée via une méthode robuste de mise en correspondance de blocs (block matching), basée sur la connaissance du déplacement a priori ainsi que sur la mise à jour temporelle du bloc de référence par un filtre de Kalman spécifique. La précision de notre méthode, évaluée in vivo, correspond au même ordre de grandeur que celle résultant des opérations manuelles réalisées par des experts, et reste sensiblement meilleure que celle obtenue avec deux autres méthodes traditionnelles (i.e. une implémentation classique de la technique de block matching et le logiciel commercial Velocity Vector Imaging). Nous présentons également quatre études cliniques réalisées en milieu hospitalier, où nous évaluons l'association entre le mouvement longitudinal et les facteurs de risque cardiovasculaire. Nous suggérons que le mouvement longitudinal, qui représente un marqueur de risque émergent et encore peu étudié, constitue un indice pertinent et complémentaire aux marqueurs traditionnels dans la caractérisation de la physiopathologie artérielle, reflète le niveau de risque cardiovasculaire global, et pourrait être bien adapté à la détection précoce de l'athérosclérose. / This thesis is focused on the domain of bio-medical image processing. The aim of our study is to assess in vivo the parameters traducing the mechanical properties of the carotid artery in ultrasound imaging, for early detection of cardiovascular diseases. The analysis of the longitudinal motion of the arterial wall tissues, i.e. in the same direction as the blood flow, represents the principal motivation of this work. The three main contributions proposed in this work are i) the development of an original and semi-automatic methodological framework, dedicated to the segmentation and motion estimation of the arterial wall in in vivo ultrasound B-mode image sequences, ii) the description of a protocol aiming to generate a reference, involving the manual tracings of several experts, in the objective to quantify the accuracy of the results of our method despite the absence of ground truth inherent to ultrasound imaging, and iii) the clinical evaluation of the association between the mechanical and dynamical parameters of the arterial wall and the cardiovascular risk factors, for early detection of atherosclerosis. We propose a semi-automatic method, based on a combined approach of wall segmentation and tissues motion estimation. The extraction on the interfaces position is realized via an approach specific to the morphological structure of the carotid artery, based on a strategy of dynamic programming using a matched filter. The motion estimation is performed via a robust block matching method, based on the a priori knowledge of the displacement as well as the temporal update of the reference block with a specific Kalman filter. The accuracy of our method, evaluated in vivo, corresponds to the same order of magnitude as the one resulting from the manual operations performed by experts, and is significantly higher than the one obtained from two other classical methods (i.e. a classical implementation of the block matching technique, and the VVI commercial software). We also present four clinical studies, and we evaluate the association between longitudinal motion and cardiovascular risk factors. We suggest that the longitudinal motion, which represents an emerging cardiovascular risk marker that has been only few studied yet, constitutes a pertinent and complementary marker aiming at the characterization of arterial physio-pathology, traduces the overall cardiovascular risk level, and could be well suited to the early detection of the atherosclerosis.