Imagerie ultrasonore large bande à l'aide d'une sonde cMUT – BBMUT

Le projet a été divisé en 3 thèmes : la conception et la fabrication d'une sonde cMUT, le traitement des données obtenues et la validation des techniques sur modèles animaux.
Le premier thème a été consacré à la fabrication de la sonde a été fabriquée par Vermon et à son adaptation aux plateformes d'échographie disponibles à Creatis.
Le 2ème thème a pour objectifs le développement de techniques d'imagerie, de caractérisation des tissus et de traitement du signal innovantes, prenant en compte les spécificités des sondes cMUT. Celles-ci sont exploitées pour fournir une image native qui présente un contraste amélioré sans dégrader la résolution. La grande largeur de bande et la forte directivité des sondes cMUT incitent à la mise en œuvre de techniques de composition fréquentielle et spatiale. Des techniques d'imagerie harmonique, tirant partie de la non-linéarité intrinsèque des sonde cMUT, ou basées sur l'émission d'ondes planes modulées en fréquences ou l'émission de signaux composites, sont implantées et les résultats comparés à ceux obtenus à l'aide d'une sonde piézoélectrique équivalente.
Des méthodes fréquentielles de caractérisation des tissus, notamment par la définition du facteur de structure, permettent de mettre en évidence que les paramètres estimés sont corrélés à l’activité histologique.
Les techniques développées, validées en simulation et sur fantôme ont été utilisées dans le 3ème thème, dédié à la validation des approches proposées.

CREANUIS est un outil logiciel de simulation d'images ultrasonores non linéaires qui se distingue des concurrents par sa rapidité de calcul. Il est mis librement à disposition sur le site de Creatis.
Nous avons montré qu'un simple réglage de la cadence d'imagerie peut améliorer significativement les performances des techniques d'imagerie de contraste multi-pulses.
Une méthode originale d'imagerie harmonique multi-pulses, basée sur l'application de différentes tensions de polarisation d'une sonde cMUT a été proposée et fera l'objet de développements futurs.
Nous avons proposé une méthode ultrasonore d’estimation de taille de diffuseurs adaptée aux structures hépatiques et l'évaluation de cette méthode sur des fantômes de tissus biologiques a montré des résultats très satisfaisants.

Les méthodes mises en place dans le cadre de ce projet seront évaluées à l'aide des données issues d'une acquisition avec une sonde cmut lorsque celle-ci sera mise à disposition

Les différentes équipes impliquées dans ce projet se sont engagées à publier les résultats des recherches qu'elles ont menées. Notamment, la méthode d'imagerie liée à la polarisation d'une sonde cMUT pour exploiter sa non-linéarité a fait l'objet d'un dépôt de brevet.
On notera également les recherches sur la caractérisation tissulaire qui ont produit de nombreuses publications, en particulier liées au facteur de structure.

Publications
[Var-13-1] F. Varray, O. Basset, P. Tortoli, and C. Cachard, «CREANUIS: A Nonlinear Radio Frequency Ultrasound Image Simulator«, Ultrasound in Medicine and Biology, in press, 2013.
[Lin-13] F. Lin, C. Cachard, R. Mori, F. Varray, F. Guidi, and O. Basset, «Ultrasound Contrast Imaging: Influence of Scatterer Motion in Multi-pulse Techniques«, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, In Press, 2013.
[Fra 12-1] Franceschini E. and Guillermin R., Experimental assessment of four ultrasound scattering models for characterizing concentrated tissue-mimicking phantoms, J. Acoust. Soc. Amer. 132(6) 3735-3747, 2012

Le diagnostic précoce des pathologies du foie et/ou l'identification de toutes les lésions focales sont des objectifs fondamentaux pour envisager un pronostique favorable. Ces objectifs nécessitent des outils diagnostiques non invasifs dédiés et justifie le développement de techniques innovantes basées sur l'utilisation de technologies nouvelles.
Le projet BBMUT a pour objectif d'exploiter les propriétés prometteuses d'une nouvelle technologie de sondes échographiques, appelées CMUT pour proposer de nouvelles techniques d'imagerie et de caractérisation des tissus hépatiques.

CONTEXTE ET ENJEUX ECONOMIQUES ET SOCIETAUX
Les cancers du foie, et plus généralement les pathologies hépatiques, représentent un important problème de santé publique par leur fréquence et leur gravité. Pour la détection des pathologies, le médecin peut s'appuyer sur différentes modalités d'imagerie. L’échographie reste encore la première méthode d’imagerie utilisée chez un nouveau patient en raison de sa simplicité et de sa disponibilité.
Le projet BBMUT vient compléter les outils diagnostiques actuellement disponible (imagerie harmonique, élastographie, …) en proposant d'une part une amélioration de la qualité des images native et harmonique et d'autres part des mesures paramétriques liées à la structure des tissus en tirant profit des principales propriétés des sondes CMUT, comparativement aux sondes piézoélectriques.
L'enjeu médical du projet BBMUT est de faciliter le diagnostic des pathologies du foie par une détection plus précoce et plus exhaustive des lésions. L'intérêt immédiat pour le patient est une amélioration du pronostic. L'amélioration de la qualité des images et des informations fournies au radiologue permettra également de réduire le nombre de biopsies effectuées.
Le marché de l’échographie est aujourd’hui, le volume de vente de matériels d’imagerie le plus important. La maîtrise d'un savoir faire sur une nouvelle technologie de sonde constitue un enjeu économique majeur.

LES OBJECTIFS
L'examen ultrasonore des pathologies du foie est très fréquemment associé à l'injection d'un produit de contraste. Néanmoins, les méthodes d’imagerie de contraste disponibles actuellement restent limitées en raison principalement du nombre important de patients pour lesquels l’imagerie harmonique n’améliore pas la détection des tumeurs. Pour cela, il est indispensable de proposer de nouvelles techniques adaptées aux agents de contraste et surtout à leurs propriétés non linéaires.
Le projet BBMUT prévoit la conception d'une sonde CMUT dont les spécifications seront adaptées à l'examen du foie. Différentes techniques d'imagerie harmonique seront mises en œuvre. Les techniques déjà existantes et des techniques innovantes à base d'émission Chirp ou de signaux composites seront implémentées et les résultats comparés à ceux obtenus à l'aide d'une sonde piézoélectrique équivalente.
Les propriétés des sondes CMUT seront également exploitées pour fournir une image native qui présente un contraste amélioré sans dégrader la résolution. La grande largeur de bande ainsi que la forte ouverture angulaire des sondes CMUT incitent à la mise en œuvre de techniques de composition fréquentielle et spatiale.
Par ailleurs, nous proposons de développer une méthode ultrasonore de caractérisation des tissus adaptée aux structures hépatiques en particulier par l'estimation de la taille des diffuseurs afin de montrer que les paramètres estimés des structures hépatiques sont corrélés à l’activité histologique. Une mesure quantitative du paramètre de la non-linéarité sera également proposée. Une validation pré-clinique permettra de quantifier l'intérêt diagnostique des approches proposées.

LE PARTENARIAT
Ce projet regroupe 5 partenaires de compétences complémentaires : Vermon pour la fabrication des sondes, Creatis et l'Unité U930 dans le domaine de l'imagerie, le LMA dans la caractérisation ultrasonore des tissus et les Hospices civils de Lyon pour l'expertise clinique.