L’imagerie échographique en trois dimensions (3D) est une modalité d’imagerie médicale en plein développement. En plus de ses nombreux avantages (faible cout, absence de rayonnement ionisant, portabilité) elle permet de représenter les structures anatomiques dansleur forme réelle qui est toujours 3D. Les sondes à balayage mécaniques, relativement lentes, tendent à être remplacées par des sondes bidimensionnelles ou matricielles qui sont unprolongement dans les deux directions, latérale et azimutale, de la sonde classique 1D. Cetagencement 2D permet un dépointage du faisceau ultrasonore et donc un balayage 3D del’espace. Habituellement, les éléments piézoélectriques d’une sonde 2D sont alignés sur unegrille et régulièrement espacés d’une distance (en anglais le « pitch ») soumise à la loi del’échantillonnage spatial (distance inter-élément inférieure à la demi-longueur d’onde) pour limiter l’impact des lobes de réseau. Cette contrainte physique conduit à une multitude d’éléments de petite taille. L’équivalent en 2D d’une sonde 1D de 128 éléments contient128x128=16 384 éléments. La connexion d’un nombre d’éléments aussi élevé constitue unvéritable défi technique puisque le nombre de canaux dans un échographe actuel n’excède querarement les 256. Les solutions proposées pour contrôler ce type de sonde mettent en oeuvredu multiplexage ou des techniques de réduction du nombre d’éléments, généralement baséessur une sélection aléatoire de ces éléments (« sparse array »). Ces méthodes souffrent dufaible rapport signal à bruit du à la perte d’énergie qui leur est inhérente. Pour limiter cespertes de performances, l’optimisation reste la solution la plus adaptée. La première contribution de cette thèse est une extension du « sparse array » combinéeavec une méthode d’optimisation basée sur l’algorithme de recuit simulé. Cette optimisation permet de réduire le nombre nécessaire d’éléments à connecter en fonction des caractéristiques attendues du faisceau ultrasonore et de limiter la perte d’énergie comparée à la sonde complète de base. La deuxième contribution est une approche complètement nouvelle consistant à adopter un positionnement hors grille des éléments de la sonde matricielle permettant de supprimer les lobes de réseau et de s’affranchir de la condition d’échantillonnage spatial. Cette nouvelles tratégie permet d’utiliser des éléments de taille plus grande conduisant ainsi à un nombre d’éléments nécessaires beaucoup plus faible pour une même surface de sonde. La surface active de la sonde est maximisée, ce qui se traduit par une énergie plus importante et donc unemeilleure sensibilité. Elle permet également de balayer un angle de vue plus important, leslobes de réseau étant très faibles par rapport au lobe principal. Le choix aléatoire de la position des éléments et de leur apodization (ou pondération) reste optimisé par le recuit simulé.Les méthodes proposées sont systématiquement comparées avec la sonde complète dansle cadre de simulations numériques dans des conditions réalistes. Ces simulations démontrent un réel potentiel pour l’imagerie 3D des techniques développées. Une sonde 2D de 8x24=192 éléments a été construite par Vermon (Vermon SA, ToursFrance) pour tester les méthodes de sélection des éléments développées dans un cadreexpérimental. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux permettentde valider les méthodes proposées et de prouver leur faisabilité. / 3D Ultrasound imaging is a fast-growing medical imaging modality. In addition to its numerous advantages (low cost, non-ionizing beam, portability) it allows to represent the anatomical structures in their natural form that is always three-dimensional. The relativelyslow mechanical scanning probes tend to be replaced by two-dimensional matrix arrays that are an extension in both lateral and elevation directions of the conventional 1D probe. This2D positioning of the elements allows the ultrasonic beam steering in the whole space. Usually, the piezoelectric elements of a 2D array probe are aligned on a regular grid and spaced out of a distance (the pitch) subject to the space sampling law (inter-element distancemust be shorter than a mid-wavelength) to limit the impact of grating lobes. This physical constraint leads to a multitude of small elements. The equivalent in 2D of a 1D probe of 128elements contains 128x128 = 16,384 elements. Connecting such a high number of elements is a real technical challenge as the number of channels in current ultrasound scanners rarely exceeds 256. The proposed solutions to control this type of probe implement multiplexing or elements number reduction techniques, generally using random selection approaches (« spars earray »). These methods suffer from low signal to noise ratio due to the energy loss linked to the small number of active elements. In order to limit the loss of performance, optimization remains the best solution. The first contribution of this thesis is an extension of the « sparse array » technique combined with an optimization method based on the simulated annealing algorithm. The proposed optimization reduces the required active element number according to the expected characteristics of the ultrasound beam and permits limiting the energy loss compared to the initial dense array probe.The second contribution is a completely new approach adopting a non-grid positioningof the elements to remove the grating lobes and to overstep the spatial sampling constraint. This new strategy allows the use of larger elements leading to a small number of necessaryelements for the same probe surface. The active surface of the array is maximized, whichresults in a greater output energy and thus a higher sensitivity. It also allows a greater scansector as the grating lobes are very small relative to the main lobe. The random choice of the position of the elements and their apodization (or weighting coefficient) is optimized by the simulated annealing.The proposed methods are systematically compared to the dense array by performing simulations under realistic conditions. These simulations show a real potential of the developed techniques for 3D imaging.A 2D probe of 8x24 = 192 elements was manufactured by Vermon (Vermon SA, Tours,France) to test the proposed methods in an experimental setting. The comparison between simulation and experimental results validate the proposed methods and prove their feasibility. / L'ecografia 3D è una modalità di imaging medicale in rapida crescita. Oltre ai vantaggiin termini di prezzo basso, fascio non ionizzante, portabilità, essa permette di rappresentare le strutture anatomiche nella loro forma naturale, che è sempre tridimensionale. Le sonde ascansione meccanica, relativamente lente, tendono ad essere sostituite da quelle bidimensionali che sono una estensione in entrambe le direzioni laterale ed azimutale dellasonda convenzionale 1D. Questo posizionamento 2D degli elementi permette l'orientamentodel fascio ultrasonico in tutto lo spazio. Solitamente, gli elementi piezoelettrici di una sondamatriciale 2D sono allineati su una griglia regolare e separati da una distanza (detta “pitch”) sottoposta alla legge del campionamento spaziale (la distanza inter-elemento deve esseremeno della metà della lunghezza d'onda) per limitare l'impatto dei lobi di rete. Questo vincolo fisico porta ad una moltitudine di piccoli elementi. L'equivalente di una sonda 1D di128 elementi contiene 128x128 = 16.384 elementi in 2D. Il collegamento di un così grandenumero di elementi è una vera sfida tecnica, considerando che il numero di canali negliecografi attuali supera raramente 256. Le soluzioni proposte per controllare questo tipo disonda implementano le tecniche di multiplazione o la riduzione del numero di elementi, utilizzando un metodo di selezione casuale (« sparse array »). Questi metodi soffrono di unbasso rapporto segnale-rumore dovuto alla perdita di energia. Per limitare la perdita di prestazioni, l’ottimizzazione rimane la soluzione migliore. Il primo contributo di questa tesi è un’estensione del metodo dello « sparse array » combinato con un metodo di ottimizzazione basato sull'algoritmo del simulated annealing. Questa ottimizzazione riduce il numero degli elementi attivi richiesto secondo le caratteristiche attese del fascio di ultrasuoni e permette di limitare la perdita di energia.Il secondo contributo è un approccio completamente nuovo, che propone di adottare un posizionamento fuori-griglia degli elementi per rimuovere i lobi secondari e per scavalcare il vincolo del campionamento spaziale. Questa nuova strategia permette l'uso di elementi piùgrandi, riducendo così il numero di elementi necessari per la stessa superficie della sonda. La superficie attiva della sonda è massimizzata, questo si traduce in una maggiore energia equindi una maggiore sensibilità. Questo permette inoltre la scansione di un più grande settore,in quanto i lobi secondari sono molto piccoli rispetto al lobo principale. La scelta casualedella posizione degli elementi e la loro apodizzazione viene ottimizzata dal simulate dannealing. I metodi proposti sono stati sistematicamente confrontati con la sonda completaeseguendo simulazioni in condizioni realistiche. Le simulazioni mostrano un reale potenzialedelle tecniche sviluppate per l'imaging 3D.Una sonda 2D di 8x24 = 192 elementi è stata fabbricata da Vermon (Vermon SA, ToursFrance) per testare i metodi proposti in un ambiente sperimentale. Il confronto tra lesimulazioni e i risultati sperimentali ha permesso di convalidare i metodi proposti edimostrare la loro fattibilità.

Ces travaux portent sur l'étude et l'élaboration de méthodes d'asservissement visuel utilisant les images échographiques. L'asservissement visuel consiste à commander les mouvements d'un système dynamique, généralement un robot, à partir d'informations visuelles extraites de l'image fournie par un capteur embarqué ou observant le système. Dans ce contexte, très peu de travaux avaient été menés sur l'utilisation de l'image fournie par un capteur échographique et les méthodes existantes permettaient uniquement de contrôler les mouvements dans le plan de coupe du capteur. En effet, il est important de noter qu'une sonde échographique 2D a la particularité de fournir une information complète dans son plan d'observation mais de ne fournir aucune information en dehors de ce plan. A la différence, une caméra fournit une projection de la scène 3D vers une image 2D. De ce fait, les méthodes d'asservissement visuel basées sur la modélisation de l'interaction entre une caméra et son environnement ne peuvent être appliquées directement à la modalité échographique. Il faut également noter qu'une problématique importante est l'extraction en temps réel des informations visuelles, nécessaires à la commande d'un système robotique, à partir des images échographiques qui sont par nature très fortement bruitées. Nous avons par conséquent apporté des solutions génériques pour permettre le contrôle complet des déplacements d'une sonde embarquée sur un robot à 6 degrés de liberté en utilisant directement les images échographiques. Deux démarches principales ont été menées pour atteindre cet objectif. La première a porté sur le choix et la modélisation exacte des informations visuelles géométriques qu'il est possible d'extraire en temps réel à partir des images échographiques 2D et qui sont pertinentes pour la réalisation d'une tâche de positionnement d'une sonde robotisée. Nous avons plus particulièrement considéré des informations géométriques de type points, contours et moments de la section d'un organe d'intérêt. Des modèles simplifiés ou estimés en ligne de la forme des objets observés ont été considérés pour déterminer la variation des informations géométriques introduite par les mouvements effectués en dehors du plan de coupe de la sonde. Cette modélisation a permis de déterminer la loi de commande à appliquer au robot porteur de sonde pour atteindre automatiquement la coupe échographique présentant l'information visuelle désirée. La seconde démarche a porté sur l'exploitation de l'information dense de l'image échographique en vue de s'affranchir de l'étape de segmentation. Dans une première approche, l'information de corrélation de la texture de type " speckle " présente dans l'image échographique a été considérée pour réaliser la poursuite de tissus en mouvement par la sonde échographique. Une approche alternative a également été proposée où les informations visuelles choisies en entrée de la commande du système correspondent directement à la valeur d'intensité d'un ensemble de pixels de l'image. La variation de ces informations en fonction du mouvement de la sonde a été modélisée afin de mettre en œuvre des asservissements visuels capables de réaliser des tâches de positionnement ou de suivi de coupes anatomiques. Cette méthode a en outre été étendue pour différents types de capteurs ultrasonores (2D, 3D, bi-plans). Les applications qui découlent de ces travaux se situent principalement dans le domaine de l'assistance à l'examen échographique. Elles concernent d'une part le positionnement automatique de la sonde sur une section anatomique désirée. D'autre part, les applications traitées portent également sur la stabilisation active de l'image échographique. A cette fin, différentes approches ont été mises en œuvre pour compenser le mouvement de tissus mous en synchronisant les déplacements de la sonde par asservissement visuel échographique.

L'objectif de cette thèse est de proposer et d'étudier une méthode de segmentation qui soit adaptée à l'imagerie échographique ultrasonore (US) et qui tienne compte de certaines contraintes rencontrées en milieu clinique. De ce fait, cette méthode se doit d'être robuste au bruit de speckle et à l'atténuation des ondes US dans le milieu, mais aussi rapide et ne nécessiter que peu, voire aucun paramètre à régler par l'opérateur. Dans ce cadre, les solutions fondées sur des contours actifs fondés sur la Minimisation de la Complexité Stochastique ont été étudiées. L'impact de différentes modélisations du speckle sur les résultats de ces techniques de segmentation a été caractérisé. Il a été montré qu'il est important de prendre en compte les variations de l'intensité moyenne du speckle induites par l'atténuation dans chaque région de l'image, à la fois pour la segmentation et pour l'analyse des propriétés du speckle. De plus, une stratégie hiérarchique de segmentation a été développée. Celle-ci permet notamment d'accroître la qualité des segmentations et de diminuer les temps de calcul.Les algorithmes de segmentation considérés étaient initialement conçus pour des formes polygonales peu adaptées à celles rencontrées dans le cadre d'applications médicales. Nous avons donc développé un nouveau modèle de contour fondé sur la théorie de l'information qui permet toujours une mise en oeuvre rapide des algorithmes et ne dépend d'aucun paramètre à régler par l'utilisateur. Testé sur des images synthétiques et réelles de fantômes échographiques, ce nouveau modèle permet de mieux décrire les formes régulières et arrondies des objets rencontrés en imagerie échographique. / The purpose of this PhD thesis is to propose and study a segmentation method adapted to echographic ultrasound imaging that could be clinically operational (i.e. fast and parameter-free) and robust to both the speckle noise and the attenuation of the ultrasonic signal in the medium. The solutions we studied rely on statistical active contour methods that are based on the Minimization of the Stochastic Complexity (MSC). The impact on the segmentation results of several speckle noise models that still lead to fast segmentation algorithms has been characterized. A key feature of these models, that appears to be crucial for both the segmentation and the speckle characterization, is the ability to take into account the spatial variation of the average intensity induced by the attenuation of the signal in the medium. In addition, we proposed a hierarchical optimization strategy that improves segmentation results and decreases the computation time.Finally, a novel contour model that is adapted to smooth boundaries that are met in medical imaging is also proposed for the considered MSC segmentation algorithms. The construction of this contour model relies on Information Theory concepts. It still allows one to get low computation times and does not contain any tuning parameter. Evaluations performed on synthetic images and real echographic phantom images indicate that this contour model provides better segmentation results for smooth inclusions that usually compose the echographic images.