Development of novel ultrasound techniques for imaging and elastography : from simulation to real-time implementation

par Alessandro Ramalli

Thèse de doctorat en Signal et traitement d'image

Le président du jury était Claudio Lamberti.

Les rapporteurs étaient Guy Carrault, Andrea Trucco.

  • Titre traduit

    Développement de nouvelles techniques ultrasonores pour des applications d’imagerie ou d’élastographie : de la simulation à l'implémentation temps-réel


  • Résumé

    Les techniques ultrasonores offrent de nombreux avantages, à la fois par leur utilisation facile et la sécurité du patient. De plus, la recherche, visant à étendre les possibles champs d’applications, est particulièrement active. Cependant, l’accès à des équipements adaptés et supportant des logiciels est conditio sine qua non pour l’expérimentation de nouvelles techniques. Ce projet de thèse traite des problématiques de traitement du signal et d'image dans un contexte d'imagerie médicale et vise à répondre à deux objectifs scientifiques: le premier consiste à contribuer au développement d'une puissante plateforme de recherche (ULA-OP) alors que le second a pour objectif d'introduire et de valider, grâce à cette plateforme, des méthodes de traitement non-standard qui ne pourraient pas être évaluées avec des équipements médicaux commerciaux. ULA-OP, un équipement recherche qui donne accès aux développeurs à une grande liberté de contrôle et de configuration l’ensemble des parties actives du système, de la transmission aux traitements des signaux échographiques. Il offre aussi la possibilité d’accéder aux signaux bruts à n’importe quel niveau de la chaîne de réception. Durant cette thèse, les capacités du système ont été améliorées en implémentant des outils logiciels comme des simulateurs de champ acoustique (propagation linéaire et non-linéaire), et en développant des programmes de génération de signaux post-échographique. L’ULA-OP a été crucial pour développer et tester différentes techniques non-standard telles qu’un schéma adaptatif de formation de voie et une méthode d’imagerie Doppler couleur/vecteur, qui seront détaillés dans le manuscrit. En particulier, une nouvelle méthode a été développée pour des applications d’élastographie quasi-statique. Cette méthode, basée sur un algorithme d’estimation du mouvement dans le domaine fréquentiel et combinée à une méthode d’imagerie haute fréquence, a permis d’améliorer la qualité des élastogrammes obtenus. Cette nouvelle méthode a d’abord été testée in-vitro par des traitements hors ligne des signaux reçus et pour ensuite être implémentée en temps réel sur le ULA-OP. Les résultats obtenus montrent que cette technique est performante et que les élastogrammes présentent une qualité supérieure comparée à ceux obtenues avec les méthodes connues de la littérature


  • Résumé

    Ultrasound techniques offer many advantages, in terms of both ease of realization and patients’ safety. The research aimed at expanding the fields of application, is nowadays particularly active. The availability of suitable hardware and supporting software tools is condicio sine qua non for the experimentation of new techniques. This Ph.D project addresses signal/image processing issues in medical ultrasound and seeks to achieve two major scientific goals: the first is to contribute to the development of a powerful ultrasound research platform (ULA¬OP), while the second is introducing and validating, through this platform, non-standard methods which could not be tested with commercial equipment. ULA-OP is a research system, which gives developers great freedom in terms of management and control of every section, from signal transmission to echo-signal processing; it also offers the possibility to access raw data at any point in the receive chain. During the thesis, the capabilities of the system were improved by creating advanced software tools, such as acoustic field simulators (for linear and nonlinear propagation), and by developing echo-signals post-elaboration programs. ULA-OP was crucial to develop and test various non-standard techniques such as an adaptive beamforming scheme and a color/vector Doppler imaging method, which will be detailed in this thesis. In particular, a novel technique was developed for quasi-static elastography applications. This technique, based on a frequency domain displacement estimation algorithm, combined with a high-frame-rate averaging method, aims at improving the quality of the elastograms. The new method was first tested in-vitro by offline processing the received signals, and then it was implemented in real-time on ULA-OP. The results show that this technique is effective and that the obtained elastograms present higher quality compared with those obtained with standard algorithms

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