2D sparse array optimization and operating strategy for real-time 3D ultrasound imaging

par Emmanuel Roux

Thèse de doctorat en Acoustique et Ingénierie de l’Information

Sous la direction de Hervé Liebgott, Christian Cachard et de Piero Tortoli.

Le jury était composé de Sharon Lori Bridal, Giulia Matrone.

Les rapporteurs étaient Cédric Richard, Alessandro Savoia.

  • Titre traduit

    Optimisation et pilotage de sondes parcimonieuses 2D pour l’imagerie ultrasonore 3D temps-réel


  • Résumé

    Aujourd'hui l'utilisation de l'échographie 3D en cardiologie est limitée car l'imagerie de la totalité du myocarde sur un cycle cardiaque, sans apnée, reste un défi technologique. Une solution consiste à réduire le nombre de capteurs dans les sondes échographiques matricielles afin d'alléger le procédé d'acquisition: ces sondes sont dites parcimonieuses. Le but de cette thèse est de proposer les meilleures dispositions d'un nombre réduit de capteurs piézo-électriques répartis sur la surface active de la sonde afin d'optimiser leur capacité à produire des images homogènes en termes de contraste et résolution dans tout le volume d'intérêt. Ce travail présente l'intégration de simulations acoustiques réalistes élaborées au sein d'un processus d'optimisation stochastique (algorithme de recuit simulé). La structure proposée pour le design des sondes parcimonieuse est suffisamment générale pour être appliquée aux sondes régulières (éléments actifs disposés selon une grille) et non-régulières (positionnement arbitraire des éléments actifs). L'introduction d'une fonction d'énergie innovante permet de sculpter en 3D le diagramme optimal de rayonnement de la sonde. Les résultats de sondes optimisées obtenues possèdent 128, 192 ou 256 éléments pour favoriser leur compatibilité avec les échographes commercialisés à ce jour, ce qui permettrait de déployer l'échographie 3D à moindre coût et à très large échelle


  • Résumé

    Today, the use of 3D ultrasound imaging in cardiology is limited because imaging the entire myocardium on a single heartbeat, without apnea, remains a technological challenge. A solution consists in reducing the number of active elements in the 2D ultrasound probes to lighten the acquisition process: this approach leads to sparse arrays. The aim of this thesis is to propose the best configuration of a given number of active elements distributed on the probe active surface in order to maximize their ability to produce images with homogeneous contrast and resolution over the entire volume of interest. This work presents the integration of realistic acoustic simulations performed in a stochastic optimization process (simulated annealing algorithm). The proposed sparse array design framework is general enough to be applied on both on-grid (active elements located on a regular grid) and non-grid (arbitrary positioning of the active elements) arrays. The introduction of an innovative energy function sculpts the optimal 3D beam pattern radiated by the array. The obtained optimized results have 128, 192 or 256 active elements to help their compatibility with currently commercialized ultrasound scanners, potentially allowing a large scale development of 3D ultrasound imaging with low cost systems


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