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Technologie pour la santé et l’autonomie (TecSan)
Edition 2011


BBMUT


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

Imagerie ultrasonore large bande à l'aide d'une sonde CMUT
Exploitation des propriétés prometteuses d'une nouvelle technologie de sondes échographiques, appelées CMUT pour proposer de nouvelles techniques d'imagerie et de caractérisation des tissus hépatiques.

L'imagerie ultrasonore pour détecter les pathologies du foie
Les cancers du foie, et plus généralement les pathologies hépatiques, représentent un important problème de santé publique par leur fréquence et leur gravité. Le projet BBMUT vient compléter les outils diagnostiques actuellement disponibles (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 qui conduira à une amélioration du pronostic et à la réduction du nombre de biopsies effectuées.
La maîtrise d'un savoir faire sur une nouvelle technologie de sonde constitue également un enjeu économique majeur.
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.
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 et la forte directivité 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

Le traitement des signaux pour l'amélioration du diagnostic des pathologies du foie
Pour arriver à l'objectif qui est d'évaluer l'intérêt d'une imagerie large bande à l'aide d'une technologie CMUT pour le diagnostic des pathologies du foie, le projet à été divisé en 3 thèmes.
Le premier thème est dédié d'une part à la description de la sonde pour l'application visée et d'autre part à la fabrication.
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 seront 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, déjà existantes ou plus innovantes à base de Chirp ou d'émission de signaux composites, seront implantées et les résultats comparés à ceux obtenus à l'aide d'une sonde piézoélectrique équivalente. 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 sont corrélés à l’activité histologique. Une mesure quantitative du paramètre de la non-linéarité sera également proposée. Une validation préclinique permettra de quantifier l'intérêt diagnostique des approches proposées.
Les techniques développées, validées en simulation et sur fantôme seront implantées sur les plateformes d'imagerie pour leur utilisation dans le 3ème thème, dédié à la validation des approches proposées.

Résultats

CREANUIS est un outil logiciel de simulation d'images ultrasonores non linéaire qui se distingue des concurrents par sa rapidité de calcul. Il est mis librement à disposition sur le site de Creatis [Var 13-1].

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. [Lin 13]

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. Elle est basée sur l’analyse des spectres de puissance des signaux ultrasonores rétrodiffusés par les cellules. et permet de remonter à deux paramètres : la concentration et la taille des cellules. La méthode a été évaluée par des mesures expérimentales sur des fantômes de tissus biologiques (microsphères de polyamide de rayon 6 µm simulant des noyaux de cellules) à fortes concentrations volumiques de diffuseurs variant de 1 à 25%. Ces expériences montrent une bonne corrélation entre les paramètres réels et ceux estimés par la technique ultrasonore à des fréquences allant de 10 à 20 MHz [Fra 12-1].

Perspectives

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

Productions scientifiques et brevets

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

Communications
[Var-13-2] F. Varray, L. Demi, K. van Dongen, O. Basset, C. Cachard, and M. Verweij, «Nonlinear acoustic propagation simulation tools: Comparison of BBGASM and INCS up to the fifth harmonic components«, IEEE International Ultrasonics Symposium, Prague, 22-26 Juillet 2013.
[Tou-13] M. Toulemonde, O. Basset, P. Tortoli, and C. Cachard, «Thomson’s multitaper high frame rate compounding for speckle reduction«, IEEE International Ultrasonics Symposium, Prague, 22-26 Juillet 2013.
[Fra 12-2] Franceschini E. and Guillermin R., Quantitative ultrasound estimates from tissue-mimicking phantoms with high scatterer volume fraction, 8th International Conference on Ultrasonic Biomedical Microscanning}, Saint-Paulin, Canada, 24-27 Septembre 2012.
[Fra 13] Franceschini, E. Guillermin R., Tourniaire F., Lamy E., Landrier J.-F., On the use of the Structure Factor Model to understand the measured backscatter coefficient from concentrated cell pellet biophantoms, Proceedings of the 2013 IEEE International Ultrasonics Symposium, Prague, 22-26 Juillet

Partenaires

CNRS DR12 - LMA CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE PROVENCE ET CORSE

RDU - HCL HOSPICES CIVILS DE LYON

U930 INSTITUT NATIONAL DE LA SANTE ET DE LA RECHERCHE MEDICALE - DELEGATION REGIONALE GRAND OUEST

VERMON SA VERMON

Creatis - UCBL UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I

Aide de l'ANR 762 247 euros
Début et durée du projet scientifique février 2012 - 42 mois

Résumé de soumission

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.

 

Programme ANR : Technologie pour la santé et l’autonomie (TecSan) 2011

Référence projet : ANR-11-TECS-0008

Coordinateur du projet :
Monsieur BASSET OLIVIER (UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I)
olivier.basset@nullcreatis.univ-lyon1.fr

 

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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.