DS0413 - Technologies pour la santé

Echographie ultrarapide 4D – Ultrafast4D

Ultrafast4D : échographie volumique ultrarapide 4D

L'imagerie échographique reste très utilisée en clinique pour son faible coût, sa haute résolution, sa cadence d'image et sa portabilité. <br />Récemment, l'introduction de l'imagerie ultra-apide a permis de nouveaux modes d'acquisition et les systèmes d'imagerie 3D ont permis l'acquisition de vrai volume mais à des cadences beaucoup plus faibles. <br /> <br />L'imagerie ultrasonore 4D ultra-rapide sera la prochaine révolution pour le développement de nouvelles applications diagnostiques au bénéfice des patients.

Le projet vise à développer des solutions d'échographie ultrarapide 4D compatibles avec des échographes ultra-rapides commerciaux comportant seulement quelques centaines de voies électroniques

Si l'approche de sonde matricielle ultrasonore avec des milliers d'éléments reste la technique de référence pour l'imagerie 3D dans un cadre de recherche, elle présente cependant plusieurs limitations sérieuses pour envisager des applications cliniques: <br />- Les sondes matricielles et les échographes à plusieurs milliers de voies pour les piloter sont coûteux à construire et le marché n'a pas encore été clairement identifié pour justifier ce coût supplémentaire par rapport au échographe ultrarapide conventionnel tel que l'Aixplorer ™ n'ayant que 256 canaux. <br />- Le passage à des technologies avec encore plus d'éléments est techniquement difficile. Pour un nombre d'éléments supérieur à 1024 (32x32), il est techniquement très difficile de construire et de câbler la sonde et de relier de la connecter au système. Le câble devient également un facteur limitant pour la portabilité et l'ergonomie de la sonde. <br />- L'augmentation de la fréquence de la sonde à plus de 8 MHz est un autre défi technique à relever car la largeur des éléments individuels de la sonde devient très faible et encore plus difficile à connecter. <br /> <br />Pour toutes ces raisons, le projet Ultrafast4D propose une approche alternative adaptée aux problèmes techniques et économiques tout en maintenant notre objectif de taux de volume ultra-rapide à haute qualité.

Dans la sommation cohérente utilisée en imagerie ultrarapide, les ondes planes ou divergentes forment la base naturelle pour synthétiser la focalisation partout dans l'image. Une forte réduction du nombre d'émission et une grande cadence d'imagerie devient possible car les ondes planes ou les ondes divergentes sont très bien adaptées au problème de focalisation. Dans ce contexte, nous pensons que la géométrie naturelle des transducteurs ligne-colonne est particulièrement bien adaptée aux ondes planes et pourrait permettre à la fois une bonne qualité d'image et une cadence volumique élevée à condition qu'un échographe ultrarapide soit utilisé avec la technique de sommation cohérente.

L'approche du projet consiste à combiner la sommation cohérente d' ondes planes avec la géométrie du transducteur ligne-colonne. Les transducteurs ligne-colonne ne sont adressables que par des lignes complètes ou des colonnes complètes au lieu d'éléments individuels ce qui réduit considérablement le câblage et le nombre de voies électroniques nécessaires en passant de N² à 2N. Ils sont donc parfaitement adaptés pour émettre et recevoir des ondes planes ou cylindriques soit verticalement soit horizontalement.
Si la géométrie ligne-colonne a déjà été étudiée pour l'imagerie focalisée conventionnelle à faible cadence, l'imagerie synthétique à cadence d'imgerie encore plus faible, l'activation des éléments individuels basé sur les non linéarités CMUT (Capacity Micromachined Ultrasonic Transducer) et l'émission d'ondes planes avec une réception lente ligne par ligne, il n'a jamais été étudié à son plein potentiel en combinant une sommation d'onde plane cohérente avec l'électronique de réception parallèle d'un échographe ultrarapide.
L'objectif du projet est d'étudier cette approche d'imagerie, en mettant l'accent sur les applications in vivo.

Nous avons étudié les avantages et les limites de l'approche proposée par rapport à une sonde matricielle complète.
La théorie, les simulations et l'émulation utilisant une sonde matricielle complète ont été réalisées pour nous aider à concevoir un prototype et des séquences ultrarapides adaptées.
Le premier prototype a été construit et testé in vitro et in vivo et permet d'effectuer une reconstruction Bmode 3D et Power Doppler 3D avec une bonne qualité.
Le reste du projet reviendra sur l'intégration à la plateforme Aixplorer de deux prototypes et à la poursuite des études in vitro et in vivo des différents prototypes de sonde.

L'échographie ultrarapide 4D associée à un échographe ultrarapide abordable a un énorme potentiel clinique. Nous pouvons déjà citer les applications cliniques qui pourraient bénéficier de cette approche:
- En cardiologie, le Doppler 4D en temps réel de toutes les cavités cardiaques en un seul cycle cardiaque. L'imagerie 3D de cet organe hautement dynamique avec cadence ultrarapide sera une transformation importante pour l'échocardiographie.
- En radiologie, la combinaison du Doppler, l'élastographie de l'onde de cisaillement en 3D complète sur un échographe ultrarapide conventionnel pourrait changer la façon dont le dépistage et le suivi sont actuellement effectués. L'échographie en radiologie pourrait alors mieux rivaliser avec l'IRM et la CT avec des données volumétriques quantitatives de haute qualité pour une fraction du coût.

Un papier sur l'approche proposée avec un réseau ligne-colonne émulé a été publié dans Physics In Medicine & Biology. Les premières images in vitro et in vivo avec ce concept y sont montrées.


4D in vivo ultrafast ultrasound imaging using a row-column addressed matrix and coherently-compounded orthogonal plane waves.
Flesch, M., M. Pernot, J. Provost, G. Ferin, A. Nguyen-Dinh, M. Tanter, and T. Deffieux. Physics in Medicine and Biology 62, no. 11 (2017) : 4571–4588.

L'échographie, introduite en clinique dans les années soixante dix, est devenue de loin la première modalité d'imagerie et ce principalement car elle est à la fois temps-réel, polyvalente et beaucoup moins chère en comparaison des autres modalités d'imagerie. L'échographie est principalement utilisée pour le dépistage, le diagnostic ou le suivi de traitements dans de très nombreuses spécialités comme la radiologie, la cardiologie, la gynécologie, la gastroentérologie, l'obstétrique, la néonatalogie, la neurologie, l'ophtalmologie, ou encore l'oncologie. Aujourd’hui, et notamment en raison du vieillissement de la population, la pression pour maintenir la qualité de vie et la santé de la population est un défi majeur pour notre système de santé et pour lequel l'échographie présente encore des atouts majeurs et décisifs.

Dans la dernière décennie, l'Institut Langevin et SuperSonic Imagine ont été au cœur de la révolution de l'imagerie ultrasonore ultrarapide avec le développement des scanners ultra-rapides comprenant plusieurs centaines de canaux d'acquisition. Dans cette nouvelle architecture, la logique de formation d'image est complètement logicielle et non plus matérielle. La flexibilité et la grande quantité des données disponibles qui en résultent a permis de développer de nouvelles stratégies d'imagerie à base de focalisation synthétique du champ ultrasonore comme le compounding cohérent d'ondes planes. Ce changement fondamental dans la façon de créer des images a permis de développer nouvelles modalités d'imagerie qui peuvent atteindre des milliers d'images par seconde avec une haute qualité. L'imagerie ultrarapide est ainsi la clé pour non seulement améliorer considérablement la sensibilité des modes classiques comme le Doppler, mais aussi pour l'imagerie de nouveaux paramètres très prometteurs comme l'élasticité des tissus par ondes de cisaillement.

Récemment, l'échographie 3D a été introduite sur les échographes haut de gamme avec en trame de fond la possibilité de devenir enfin opérateur indépendant en acquérant directement un volume complet. Cette technologie repose sur l'intégration d'une partie de la formation d'image en tête de sonde (micro beamforming) permettant d'acquérir des volumes en temps réel, mais reste cependant très loin des cadences de l'imagerie ultrarapide ou même nécessaires à l'imagerie Doppler par exemple. Malgré cette limitation, l'imagerie 3D revêt déjà une fort potentiel en recherche en cardiologie où il est crucial d'appréhender la mécanique de l'organe en 3D. Il existe donc un fort intérêt pour permettre de l'imagerie 3D du coeur avec des cadences autorisant tous ces nouveaux modes d'imagerie.

Plus généralement, nous sommes convaincus que l'imagerie ultrarapide 4D sera la clé pour de nouvelles applications diagnostiques dans les prochaines décennies. Nous avons récemment démontré la faisabilité in vivo de l'élastographie 3D par ondes de cisaillement ainsi que du Doppler ultrasensible 4D grâce à notre prototype d'échographe ultrarapide 4D unique au monde et une sonde matricielle 2D développée par Vermon.
Avec le projet Ultrafast4D, nous pensons qu'une solution s'appuyant sur ces technologies pourra permettre de rendre l'imagerie ultrarapide 4D compatible avec les échographes ultrarapides commerciaux (128-256 canaux) grâce à de nouvelles séquences d'imagerie et de nouvelles sondes, pour un coût beaucoup plus faible.
Le projet sera axé principalement sur l'imagerie ultrarapide cardiaque 4D - une application clé pour les sociétés impliquées - de la fabrication du prototype jusqu'à l'acquisition in vivo sur volontaires sains. Le projet explorera également des applications à plus haute fréquence en imagerie vasculaire et en neuroimagerie préclinique.

Coordinateur du projet

Monsieur Thomas Deffieux (Inserm U979 - Institut Langevin)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SA VERMON
Inserm Inserm U979 - Institut Langevin
SSI SUPER SONIC IMAGINE

Aide de l'ANR 725 079 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2015 - 36 Mois

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