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Physique des Ondes pour la Médecine
Mathieu Pernot
Institut Langevin, ESPCI, CNRS UMR 7587, Inserm U979
Fibroadénome Carcinome
Grade II
Kyste visqueux
Une limitation de l’imagerie ultrasonore clinique
Bénin BéninMalin
L’échographie manque de spécificité
Tanter M, Bercoff J, Athanasiou A, et al. Ultrasound in Medicine and Biology, 34(9), 1373-1386 ,Sep. 2008
2 autres coefficients mécaniques sont très utilisés pour définir l’élasticité d’un solide
K module de compression volumiquepratiquement constant, de l’ordre 109
Pa, quasi incompressible
µ module de cisaillement, très hétérogène, dépend beaucoup de la pathologie, entre 10 2 et 10 7 Pa
K >> m
K
m
E 3 µ
E = s
ee
s
Un module : le module d’Young EE
Palpation, Matière Molle et Elasticité
µ
µ
-
-=
K
Km
43
Les ondes de compression se propagent à
Les ondes de cisaillement à
m=sc
KcP ( 1500 m.s-1)
( 1-10 m.s-1)
Deux types d’ondes qui se propagent à des vitesses complètement
différentes !!
Les ultrasons se propagent uniquement sous la forme d’ondes de compression
Les ondes de cisaillement ne se propagent qu’aux basses fréquences < 2000 Hz
Heart
Le « vent »
ultrasonore
Sismologie du corps humain
Sonde
Ultrasonore
Zone Imagée
x
z
Focal zone
Force
),(),( 2
2trp
ctrF
=
La palpation à distance par force de Radiation
« Bouffées » ultrasonores de 100 µs
Génération d’ondes de cisaillement basse fréquence (kHz) en
utilisant des Ultrasons haute fréquence
Théorie de la force de radiation par Langevin
ESPCI, 1910
Processing
Imagerie échographique ultrarapide
Imagerie échographique
conventionnelleImagerie ultrarapide
Processing
Imagerie échographique ultrarapide
Imagerie échographique
conventionnelleImagerie ultrarapide
Processing
Imagerie échographique ultrarapide
Imagerie échographique
conventionnelleImagerie ultrarapide
Processing
Imagerie échographique ultrarapide
Imagerie échographique
conventionnelleImagerie ultrarapide
Processing Parallel Processing
RAM
128 émission pour une image
100 images/s
1 émission pour une image
10,000 images/s
Imagerie échographique ultrarapide
Imagerie échographique
conventionnelleImagerie ultrarapide
~ 100 µs
Step 1
Shear wave generation by
remote palpation
Plane wave insonification at
some kHz
Texp=20 ms~ 0.3 ms
Step 2
Ultrafast imaging
Sismologie du corps humain avec une simple sonde échographique
J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink.
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics And Frequency Control., Vol 51(4), pp 396-409, April 2004.
Combinaison de l’imagerie ultrarapide et de la force de radiation
Imagerie Ultrarapide de l’onde de cisaillement
10000 images/seconde dans un fantôme
de tissu biologique
Correlation d’image à image
M. Fink, M. Tanter, “Multiwave Imaging and Superresolution”
Physics Today, 63(2), 28-33, Feb. 2010
J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink.
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics And Frequency Control., Vol 51(4), pp 396-409, April 2004.
J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink
Applied Physics Letters, 84(12), pp 2202-2204, March 2004
6 m/s
2 m/s
Transducer
Une expérience complète en quelques millisecondes
Echo. conventionnelle temps
0 s 1 s
Sonde échographique
Une expérience de 20 ms !!
Ultrafast
m/s or kPa
• “Main libre” / ne change pas l’examen échographique
• Quantitatif
• La palpation est Operateur indépendante = reproductible
• Ultrarapide / Insensible aux artéfacts de mouvements
Tanter M, Bercoff J, Athanasiou A, et al. Ultrasound in Medicine and Biology, 34(9), 1373-1386 ,Sep. 2008
Le concept de “Shear Wave Elastography”
lésion dure contenant
une zone centrale liquide
Elasticity
contrast
Axial Res
(mm)
Lateral Res
(mm)
2 1 1.1
3 1.2 1.2
10 1.3 1.1
RésolutionLatérale
RésolutionAxiale
Le SWE (Shear Wave Elastography) surpasse la palpation manuelle
Pourquoi une telle super-résolution ?
Shear Wavelength : typiquement 10 mm
Shear Modulus Image Resolution : typiquement 1 mm (lUS)
Réseau ultrasonore
Plusieurs
centaines
de lUS
Plusieurs dizaines de lshear
Signaux Ultrasonores correspondant
aux deux pixels rouges
Imagerie de champ proche dans le champ lointain de la source
La superrésolution vient de l’imagerie “Multi-ondes”
Onde n°1
Onde n°2
Mauvaise Résolution spatiale
Contraste intéressant pour le Diagnostic
Bonne résolution spatiale
Contraste peu intéressant
Interactions Avec
M. Fink, M. Tanter « Multi-Wave Imaging and Superresolution »
Physics Today, Feb.2010
D’un prototype de laboratoire à un système clinique
Aixplorer ©,2008
1996-2002 2004-2005
(CE and FDA marked)
Evolution de la technologie ultrasonore
Multicore CPU
GPU
Real time imaging
Doppler imaging CompoundHarmonic
Portable devices
Ultrafast Imaging
20102000199019801970
DSP Low cost A/D
Innovation
Technology enabler
Broadband Transducers
Microprocessor Miniaturization
Une rupture technologique : élastographie quantitative temps réel
Preuve de concept : 2000-2002
45 Minutes processing
SSI Prototype 2006
qqs secondes processing
Octobre 2007
0.2 seconds processing
Un bel exemple de la loi de Moore
Estimation de fibrose hépatique par SWE
-
Bavu E., Gennisson J.-L., Couade, M. Bercoff j., Mallet V., Fink M. Vallet-Pichard A., Nalpas B., Tanter M., Pol S.
Ultrasound in Medicine and Biology, 2011
Etude préliminaire sur 113 HCV patients
In vivo Acquisition on a 27 Years old Volunteer
Dynamique de la rigidité artérielle sur un cycle cardiaque unique !
M. Pernot et al.
Athérosclérose, fibrodysplasie,
fibrose du myocarde …
- Cadence~5000 à 10000 Hz
- 10 films acquis
- Par cycle cardiaque
Coll. E. Messas, Hopital Europeen G. Pompidou, Paris
Imagerie de la carotide in vivo chez l’homme
Dynamique de la Contraction des muscles du mollet
Gastrocnemius
Contraction
Soleus
Contraction
Shinohara S., Sabra K., Genisson J.-L., Fink M., Tanter M.
"Real-time visualization of muscle stiffness distribution with ultrasound SWI during muscle contractions », Muscle and Nerve, June 2010
Coll. M. Shinohara, K. sabra,
Georgia Tech. University, Usa
Changements de dureté du myocarde in vivo (Modèle brebis)
M. Couade, M. Pernot, P. Matteo, B. Crozatier, R. Fischmeister and M. Tanter
Ultr. Med. Biol., Oct. 2010
5000 images/s
Pernot M, Matteo P., Couade M., Crozatier B., Fischmeister R., Tanter M.
Journal of the American College of Cardiology , 2011
« Elastic Tensor Imaging » :
Un analogue ultrasonore de
l’imagerie du tenseur de diffusion par IRM ?
W.-N. Lee et al, Elastic tensor imaging with ultrasound: comparison with MR Diffusion Tensor Imaging in the myocardium
Physics in Medicine and Biology, 2012
Axial plane Radial plane
Quantification in vivo de l’anisotropie élastique du biceps
Biceps Brachii
θ
: direction de propagation de l’onde
: Coordonnées des fibres
x1
x2
x3
Deffieux, T.; Gennisson, J.-L.; Tanter, M. & Fink, M. (2008), Ieee Trans. On Ultr. Ferr.and Freq. Ctrl 55(10), 2177--2190.
Gennisson, J.-L.; Deffieux, T.; Mace, E.; Montaldo, G.; Fink, M. & Tanter, M. (2010), Ultrasound In Medicine and Biology 36(5), 789--801.
Shinohara, M.; Sabra, K.; Gennisson, J.-L.; Fink, M. & Tanter, M. (2010), Muscle & Nerve 42(3), 438--441.
-90 -45 0 45 902
2.5
3
3.5
4
4.5
5
v (
m/s
)
(degrees)
//v
v
1009080706050403020100
7o
-32o-24o-15o
-37o
-1o
-42o
14o 21
o 42
o 49o 57
o 67o 72
o
1009080706050403020100
-6o
-41o
-13o
-49o
-34o
1o 14o 21
o 33
o 45o 60
o 63o
Tractographie par
Elastic Tensor Imaging
Ultrasons
Tractographie par
Diffusion Tensor Imaging
IRM
Orientation des fibres myocardiques
W.-N. Lee et al, Elastic tensor imaging with ultrasound: comparison with MR Diffusion Tensor Imaging in the myocardium
Physics in Medicine and Biology, 2012
Vers l’imagerie ultrasonore 4D ultrarapide
1024 channels
programmable
ultrafast scanner
32x32 matrix
transducer
Imagerie cardiaque ultrarapide des ondes électromécaniques
Coeur in vivo
(Imagerie ultrarapide d’un cycle cardiaque unique)
Phased Array, fc = 3.3 MHz
Champ de vue 8 cm
1600 images par seconde
Hiroshi Kanai: "Propagation of Vibration Caused by Electrical Excitation
in the Normal Human Heart" Ultrasound in Medicine & Biology Vol. 35,
No. 6, pp. 936-948 (June 2009)
Ultrafast imaging of the heart using circular wave synthetic imaging with phased arrays
Couade M. et al. IEEE Ultrasonics Symposium, pp 515-518, 2009.
200 ms
1
-1
15 samples
200 ms
Doppler signal sD0.1
-0.1
Conventional DopplerdttsI D= )(2
0.1
-0.1
Doppler signal sD
200 ms
1
-1
200 samples
200 ms
µDopplerdttsI D= )(2
High pass filter
Power Doppler
Power
Doppler
-30
-20
-10
0
I
(dB)
-30
-20
-10
0
I
(dB)
lower noise
longer signal
High pass filter15 MHz
15 MHz
compound images
Imagerie Ultrarapide : vers le µDoppler
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011
Coronal
Sagittal
Local
Cerebral
blood
volume
Angiographie ultrasonore de la vascularisation chez le rat
100 200 300 400 500
100
200
300
400
500
600
Ultrafast Doppler : Sensibilité de l’imagerie de flux x 50 !!!
Coll. Equipe de Ivan Cohen, Inserm,
Pitié Salpêtrière, Paris
Angiographie 3D ultrasonore de la vascularisation cérébrale
Un modèle classique d’activation cérébrale
Stimulus
Flux sanguin
Concentration
O2
Potential
électrique
Neurones Microvaisseaux
Première Imagerie cerveau entier de crises d’épilepsie
-25
0
25
50
CBV
changes
(%)
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter, Nature Methods, July 2011
fUltrasound chez l’animal éveillé et libre de mouvement
Dr. Ivan Cohen, Inserm, Pitié Salpêtrière, Paris
GAERS (Genetic Absence Epilectic rats from Strasbourg)
model of recurrent generalized non-convulsive seizures
- Pas d’anesthésie
-Compréhension fond.
de la dynamique de crise
- Monitoring continu
Video + EEG
+ fUltrasound
Chez l’animal éveillé
fUltrasound clinique ?
Collaboration
Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris
C. Demené, O. Baud, V. Biran, M. Pernot & M. Tanter
Imagerie transfontanellaire chez les prématurés