Modélisation et compensation des déformations mécaniques des tissus dues à la pression d’une sonde échographique

Résumé

L’acquisition d’images échographiques de bonne qualité suppose un bon couplage acoustique entre la sonde échographique et la peau du patient. En pratique, ce bon couplage est atteint par l’opérateur en appliquant une force sur la peau à travers la sonde, permettant ainsi de chasser toute éventuelle couche d’air. Cette force a pour effet de déformer les tissus sous-jacents à la sonde. Les images échographiques ainsi acquises représentent des tissus déformés. Dans le cas de certaines applications, telles qu’un diagnostic réalisé sur une image 2D ou un simple contrôle du fœtus comme en gynécologie, cette déformation des tissus ne porte pas préjudice à l’information pertinente utilisée par l’opérateur. Cependant pour d’autres applications, ces déformations peuvent entraver la qualité de l’information pertinente pour l’opérateur. C’est le cas par exemple en échographie 3D à main levée qui consiste à déplacer une sonde conventionnelle à travers une zone d’intérêt, puis à concaténer toutes les images acquises pour reconstruire un volume échographique. En effet tout au long du déplacement de la sonde, les différentes images ont été acquises avec une force sonde/peau variable, induisant des déformations différentes d’une image à l’autre. Cette différence de déformation des tissus d’un emplacement à l’autre engendre des discontinuités d’une image à l’autre lors de la reconstruction 3D créant ainsi des artefacts. Ces artéfacts détériorent la qualité du volume échographique, limitant son spectre d’utilisation. L’objectif principal de ce doctorat est de compenser les déformations induites par la force de contact entre la sonde et la peau durant l’acquisition au niveau des images échographiques. Cette correction permettrait donc d’obtenir le volume échographique exempt des déformations qui aurait été acquis avec une force nulle, soit sans contact entre la sonde et la peau, ou bien avec une force uniforme. Pour répondre à cet objectif, nous avons développé deux méthodes de compensation des déformations se basant sur la construction d’un modèle biomécanique. Le principe général de ces deux méthodes consiste à construire un modèle biomécanique 2D représentant la mécanique des tissus mous impliqués dans l’image, puis à estimer un champ de déplacement réaliste subi par les tissus suite à l’indentation d’une sonde échographique. Le champ de déplacement inverse est alors appliqué à l’image déformée pour compenser la déformation de l’image. Les deux méthodes consistent à optimiser deux paramètres clés d’un modèle biomécanique par éléments finis, qui sont l’indentation de la sonde, et le ratio d’élasticité. Pour la première méthode guidée par le score de similarité, il s’agit d’optimiser ces deux paramètres de sorte à maximiser l’intercorrélation normalisée entre l’image déformée par la sonde et l’image de référence. La deuxième méthode consiste quant à elle d’optimiser ces deux paramètres pour minimiser la différence entre le champ de déplacement estimé par le modèle et celui estimé par une méthode de recalage basée sur l’image. Ces deux méthodes ont été validées sur des images simulées, ainsi que des images expérimentales. Les performances de ces méthodes ont été évaluées et comparées à une méthode de correction des déformations basée sur l’image. Les deux méthodes permettent bien de corriger la forme de l’inclusion déformée dans l’image. La distance euclidienne entre le contour de l’image de référence et le contour de l’image corrigée est inférieur à 1.8 mm, ce qui témoigne d’une bonne qualité de correction. Un autre axe de recherche découlant directement du besoin de validation expérimentale concerne la conception d’un fantôme à ultrasons. En effet, nous avons développé une recette de préparation d’un fantôme utilisant un modèle prédictif de l'élasticité en fonction de deux paramètres facilement contrôlables : la concentration en gélatine et la durée de réfrigération. Le fantôme permet de reproduire plusieurs tissus biologiques sains et pathologiques avec une gamme de modules de Young entre 15kPa et 100 kPa. Les paramètres acoustiques (vitesse du son et impédance acoustique) ont également été étudiés et sont comparables à ceux des tissus biologiques.

Date	30 janv. 2023
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Catherine Laporte (Directeur(-trice)) & Yvan Petit (Codirecteur(-trice))