Description du sujet de thèse

Multiplexage spatio-temporel des ondes ultrasonores pour l’imagerie haute résolution des milieux complexes

Les trois limites fondamentales de l’imagerie sont les phénomènes de diffraction, d’aberration et de diffusion multiple. L’échographie repose en effet sur deux hypothèses : (i) un modèle de propagation des ondes considérant une vitesse du son homogène ; (ii) un régime de diffusion simple qui sous-tend que chaque écho mesuré ne résulte que d’un seul évènement de diffusion au sein du milieu. Or, pour de nombreux organes inspectés, l’onde ultrasonore doit traverser plusieurs types de tissus (peau, gras, muscle, etc.) dont les propriétés mécaniques, et notamment leur vitesse du son, varient sensiblement de l’un à l’autre. Cela dégénère une distorsion des fronts d’onde incident et réfléchi et conduit à une perte de résolution et de contraste sur l’image échographique. Longtemps négligée en imagerie ultrasonore, la diffusion multiple des ultrasons a été mise en évidence dans les tissus mous et est loin d’être négligeable lorsqu’on cherche à imager le cerveau à travers la boîte crânienne. Des méthodes de focalisation adaptative ont été développées par le passé pour s’affranchir des aberrations mais elles souffrent : (i) des problèmes d’isoplananétisme qui impliquent qu’une loi de focalisation différente doit être déterminée pour chaque point de l’image ; (ii) de la taille finie de la sonde échographique qui limite la résolution spatiale de l’image échographique. Si l’imagerie matricielle développée récemment à l’institut Langevin a permis d’attaquer le premier problème, elle s’appuie sur un phénomène physique, l’effet mémoire, qui n’est exploitable que pour les aberrations d’ordre relativement faible. La diffraction reste par ailleurs un obstacle à l’obtention d’une résolution et d’un contraste optimal en chaque point de l’image. Récemment, des sondes matricielles ont été développées et permettent de compenser les aberrations de manière tridimensionnelle.. Toutefois, ces sondes présentent un nombre de transducteurs important (supérieur à 1000) ce qui rend leur utilisation illusoire pour des examens médicaux standards. En outre, leur ouverture physique est petite, ce qui limite aussi bien la résolution que le champ de vision de l’image échograhique.

L’objectif de cette thèse est d'explorer les nouvelles possibilités qu’offre l’imagerie matricielle afin de créer des sondes 2D intelligentes constituées d’un nombre de transducteurs relativement restreints (env. 100) mais couplés à un milieu complexe permettant de contrôler un grand nombre de degré de libertés spatio-temporels, et ainsi obtenir une résolution 3D seulement limitée par la diffraction sur un large volume d’intérêt (1 dm3). A cette fin, un défi important va être de déterminer les lois de focalisation à appliquer depuis la sonde pour adresser de manière indépendante chaque voxel du milieu. Cet objectif est très ambitieux sans expérience de calibration préalable mais de récents travaux réalisés par Arthur Le Ber et Elsa Giraudat dans le cadre de leur thèse ont ouvert une voie pour dompter les phénomènes de diffusion et de réflexion multiples et les exploiter pour exalter la résolution et le contraste en échographie. D’une part, une méthode matricielle a été développée pour compenser les évènements de diffusion multiple et transformer n’importe quel milieu en lentille diffusante à partir de seules mesures en réflexion. D’autre part, le caractère dynamique du milieu permet de s’affranchir de l’hypothèse d’isoplanétisme local qui a limité jusqu’à maintenant les performances de l’imagerie matricielle et, plus généralement, des techniques de focalisation adaptative. Une expérience préliminaire a montré le bien-fondé de cette approche pour l’imagerie transcrânienne du cerveau d’un mouton. Dans le cadre de cette thèse, il s’agira de généraliser cette approche aux degrés de liberté temporels afin de compenser la diffusion multiple à travers le crâne ou tout autre milieu diffusant.

Contexte de travail

La thèse se déroulera à l'institut Langevin.

L'Institut Langevin est une unité mixte de recherche du CNRS associée à l'ESPCI Paris - Université PSL, située dans le 5ème arrondissement de Paris et englobant une centaine de membres, dont plus de 30 chercheurs et enseignant-chercheurs. Les thématiques de ce laboratoire portent sur de nombreux aspects de la physique des ondes, de l'optique aux radiofréquences en passant par l'acoustique. La thématique de la thèse est incluse dans le thème "Ondes, Complexité & Information" de l'Institut Langevin.