Les travaux menés lors de cette thèse portent sur le développement d'une approche passive d'Elastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Inspirée des techniques de corrélation de bruit sismique développée en séismologie, et du retournement temporel en acoustique. L'Elastographie passive utilise des ondes de cisaillement naturellement présentent dans le corps humain pour extraire les propriétés mécaniques des tissues biologiques. La faisabilité de cette approche passive est démontrée pour divers applications. En ultrason, un échographe à cadence lente ont été utilisés pour le guidage du traitement par ultrason à haut intensité dans une étude préclinique. Puis l'utilisation d'un échographe ultra-rapide pour la reconstruction des cartes de vitesses dans des gels calibrés ainsi que in-vivo. L'Elastographie passive par résonnance magnétique a été également mise en place pour imager les mouvements naturels dans le cerveau d'un volontaire sain et la réalisation d'une tomographie de longueurs d'ondes. En optique pour des applications en ophtalmologie ou en dermatologie, la faisabilité de l'Elastographie passive par cohérence optique a été démontrée dans un gel puis in-vivo dans l'œil d'une souris pour des. Puis une preuve du concept d'un dispositif d'imagerie d'ondes de surfaces complètement optique été testé dans des gels plan, courbé, isotrope ou anisotrope. Finalement, la limite de la résolution de l'Elastographie passive par ultrason est évaluée / The aim of this thesis was the development of a new approach called passive elastography. This approach is inspired from noise correlation methods well developed in seismology and time reversal technics in acoustics. Passive elastography uses shear waves naturally induced in the human body to extract its mechanical properties of soft tissue. The feasibility of this method was tested in several applications. First in ultrasound, slow frame rate ultrasound scanner was used to monitor high intensity focused ultrasound treatment on porcine pancreas. Then, an ultrafast ultrasound scanner was used to retrieve shear wave speed map in a calibrated phantom and in-vivo. Second, Magnetic resonance elastography was implemented to image natural motion in the brain of healthy volunteers and conduct shear wavelength tomography. Third, of ophthalmological and dermatological applications, optical coherence passive elastography was tested in a phantom and a cornea of healthy mouse. Also, a fully optical setup was established to image surface wave for elastography applications. Finally, the resolution limit of elastography was measured using and ultrasound ultrafast scanner

Actuellement, l’étude du mouvement des tissus biologiques figure parmi les thématiques majeures dans le domaine de l’imagerie médicale, dont le challenge est d’apporter un complément d’information clinique et de permettre une aide au diagnostic. L’application récente de techniques d’élastographie ouvre de nouvelles perspectives de caractérisation biomécanique des tissus, et notamment du cerveau. Dans ce contexte, nous proposons une méthodologie innovante d’élastographie passive des propriétés mécaniques du tissu cérébral dont le but est de permettre à terme le diagnostic des maladies neurodégénératives. / The study of biological tissues movement is currently, one of the major thematics in the medical imaging field. The challenge is to provide additional clinical information and allow for diagnostic assistance. The recently introduced elastographic techniques, provide ample opportunities for biomechanical tissues characterization, particularly of cerebral tissues. An innovative passive-elastographic methodology for assessing mechanical properties of brain tissue is proposed. The eventual aim is to allow for the diagnosis of neurodegenerative diseases.

La première partie de la thèse étudie le balayage des gradients de conductivité électrique avec la force de Lorentz induite par ultrasons (SECG-UILF). Pour réduire la puissance de stimulation instantanée du transducteur émetteur et en même temps la pression acoustique maximale du transducteur, cette thèse propose d'appliquer l'excitation de l'impulsion ultrasonore à la modulation de fréquence linéaire ou l'excitation de l'impulsion ultrasonore à fréquence sinusoïdale dans SECG-UILF. Pour les gradients de conductivité électrique à balayage avec la force de Lorentz induite par l’ultrasons à la modulation de fréquence linéaire (SECG-LFM-UILF), un signal électrique de puissance instantanée maximale de 39,54 dBm est utilisé pour exciter le transducteur de transmission, ce qui est inférieur de 25,5 dB à la puissance instantanée maximale de l'impulsion étroite haute tension négative (65,05 dBm) adopté dans le SECG-UILF traditionnel. Et en temps, la pression acoustique d'émission maximale dans le SECG-LFM-UILF est inférieure de 0,44 MPa à celle du SECG-UILF traditionnel. Des expériences de SECG-LFM-UILF sont effectuées en utilisant des fantômes de conductivité à la gélose saline à plusieurs formes de conductivité allant de 0,2 S/m à 0,5 S/m, ce qui montre que: (1) le SECG-LFM-UILF peut détecter avec précision la distance longitudinale des gradients de conductivité électrique; (2) le rapport signal sur bruit des images de balayage B reconstituées de la distribution de gradient de conductivité électrique par le SECG-LFM-UILF est comparable à celui obtenu par le biais du SECG-UILF traditionnel; et (3) en utilisant une largeur de bande de fréquence de modulation de 2 MHz et une durée de modulation de 500 μs, une résolution longitudinale de 1 mm est obtenue. Pour balayer des gradients de conductivité électrique avec une force de Lorentz induite par ultrasons à fréquence fréquentielle (SECG-SF-UILF), le schéma de démodulation en phase présente une implémentation matérielle plus simple que le schéma de démodulation IQ, mais ne peut détecter que la moitié de la plage longitudinale. Des expériences de SECG-SF-UILF sont effectuées sur un échantillon de feuille de cuivre à deux couches, qui démontrent qu’en utilisant une largeur de bande de fréquences de 2 MHz et 64 fréquences discrètes, la plage longitudinale de l’échantillon peut être détectée avec précision. La deuxième partie de la thèse étudie l'élastographie à base d'approche de corrélation croisée. Pour élargir la largeur de bande de fréquence du champ de déplacement de l’onde de cisaillement afin d’améliorer la qualité de la carte de vitesse de l’onde de cisaillement, cette partie étudie l’application de la force de Lorentz pour la génération de champs d’onde de cisaillement. Tout d'abord, la génération des sources des ondes de cisaillement sur la surface du support souple à travers le mécanisme de la force de Lorentz est étudiée en stimulant un anneau ou un patch conducteur non ferromagnétique avec un champ magnétique transitoire. La mesure de déplacement à l'aide d'une sonde laser interférométrique confirme les caractéristiques d'origine, de fréquence et d'amplitude de la force de Lorentz. Sous un champ magnétique transitoire dont la vitesse de changement est de 10,44 kTs-1, le patch génère une source de champ des ondes de cisaillement d'amplitude de 100 µm à la surface de l'échantillon de fantôme d'alcool polyvinylique (PVA). Ensuite, le potentiel des champs d'ondes de cisaillement générés pour la reconstruction de la vitesse des ondes de cisaillement basée sur la corrélation croisée est exploré. Sur la base de l’approche de corrélation croisée, les cartes qualitatives de la vitesse des ondes de cisaillement sont reconstruites à partir de 100 cadres des champs de déplacement, à partir desquels les interfaces ou les limites entre des régions de rigidité différente peuvent être clairement reconnues, lesquelles sont complètement dissimulées dans les images ultrasonores / The first part of the thesis studies the scanning electric conductivity gradients with ultrasonically induced Lorentz force (SECG-UILF). To reduce the instantaneous stimulation power to the transmitting transducer and at the same time the peak acoustic pressure from the transducer, this thesis proposes to apply the linearly frequency-modulated ultrasound pulse excitation or the sinusoidal step-frequency ultrasound pulse excitation in SECG-UILF. For the scanning electric conductivity gradients with linearly frequency-modulated ultrasound-induced Lorentz force (SECG-LFM-UILF), electrical signal of peak instantaneous power of 39.54 dBm is used to excite the transmitting transducer, which is 25.5 dB lower than the peak instantaneous power of the negative high-voltage narrow pulse (65.05 dBm) adopted in traditional SECG-UILF; and at the same time, the peak transmitting acoustic pressure in SECG-LFM-UILF is 0.44 MPa lower than that in traditional SECG-UILF. Experiments of SECG-LFM-UILF are done using multi-shaped saline agar phantoms of conductivity ranging from 0.2 S/m to 0.5 S/m, which show that: (1) the SECG-LFM-UILF can detect precisely the longitudinal distance of the electric conductivity gradients; (2) the signal-to-noise ratio of the reconstructed B-scan images of the electrical conductivity gradient distribution by the SECG-LFM-UILF are comparable to that obtained through the traditional SECG-UILF; and (3) using modulation frequency bandwidth of 2 MHz and modulation duration of 500 μs, a longitudinal resolution of 1 mm is achieved. For the scanning electric conductivity gradients with step-frequency ultrasound induced Lorentz force (SECG-SF-UILF), the in-phase demodulation scheme is simpler in hardware implementation than the IQ demodulation scheme but can only detect half of the longitudinal range. Experiments of SECG-SF-UILF are done on a sample of two-layer copper foil, which demonstrate that, using a frequency bandwidth of 2 MHz and 64 discrete frequencies, the longitudinal range of the sample can be detected precisely. The second part of the thesis studies the cross-correlation approach based elastography. To expand the frequency bandwidth of the shear wave displacement field so as to improve the quality of the shear wave velocity map, this part studies application of the Lorentz force for generation of shear wave fields. First, generation of shear wave sources on the soft medium surface through the mechanism of the Lorentz force is investigated by stimulating a non-ferromagnetic conductive ring or patch with a transient magnetic field. The origin and the frequency and amplitude characteristics of the Lorentz force acting on the conductive ring are confirmed by the displacement measurement using an interferometric laser probe. Under a transient magnetic field of changing rate of 10.44 kTs-1, the patch generates a shear wave field source of amplitude of 100 μm at the surface of the sample of polyvinyl alcohol (PVA) phantom. The shear wave fields created and propagating in the PVA phantom by experiments agree qualitatively well with the theoretical shear wave fields calculated through the analytical Green function solution. Then, the potential of the generated shear wave fields for the cross-correlation based shear wave velocity reconstruction is explored. Based on the cross-correlation approach, the qualitative shear wave velocity maps are reconstructed from 100 frames of the displacement fields, from which the interfaces or boundaries between regions of different stiffness can be clearly recognized, which are completely concealed in the ultrasound images