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Génération de champs acoustiques contrôlés par inversion d’image échographique – Focalisation sélective et applications
Date de diffusion le 10/03/2022
Contexte
La génération de champs acoustiques contrôlés, en particulier la focalisation des ultrasons, a de nombreuses applications : le traitement médical non invasif par ultrasons de puissance (HIFU) ; la manipulation d’objets à distance (pinces acoustiques) ; l’imagerie ultrasonore en milieu bruité ou encore la création de sources de chaleur pour la caractérisation thermique (sonothermographie). La précision spatiale de cette focalisation est un enjeu important. Les méthodes classiques sont mises en échec dès que les propriétés mécaniques du milieu ne sont pas connues avec précision.
Les propriétés de refocalisation du retournement temporel permettent de s’affranchir de nombreuses hypothèses limitatrices dès lors que la signature acoustique de la cible est connue. La méthode DORT [1] permet d’isoler les signatures de diffracteurs ponctuels dans un milieu aux propriétés inconnues. Néanmoins, sa mise en oeuvre pratique requiert la connaissance de la matrice de réflexion complète, et la séparation des différentes contributions s’avère difficile quand les objets ont une taille non négligeable devant la longueur d’onde. La méthode SelF-EASE [2] développée au laboratoire peut, elle, se contenter d’un éclairage unique du milieu et permet d’extraire les signatures acoustiques d’objets identifiés dans l’image échographique même si la connaissance des propriétés du milieu est approximative. La retropropagation de ces signatures assure la focalisation précise. Les expériences numériques de [2] (Figure 1) ont été récemment confirmées par des résultats expérimentaux préliminaires obtenus à travers un crâne humain imprimé en 3D (Figure 2). Ces résultats montrent le fort potentiel de la méthode.
Figure 1: Figure extraite de [2]. La focalisation géométrique classique (a) est comparée à celle obtenue avec la méthode SelF-EASE (b). La cible est le petit cercle blanc. Le milieu présente des couches d’un milieu aux propriétés inconnues.
Le projet porte essentiellement sur 3 points :
- L’amélioration de la maniabilité et de la robustesse : implémentation en temps réel (via Gpu), optimisation du critère de troncature des valeurs singulières lors de l’inversion par SVD, et exploitation d’éclairages multiples.
- Le développement d’une méthode hybride avec l’imagerie matricielle : Les méthodes Self-EASE et DORT reposent sur des heuristiques très différentes, chacune présentant leur avantage. L’imagerie matricielle [3] qui découle de la méthode DORT pourra être complémentaire. Elle permet d’améliorer la qualité de l’image en milieu complexe, en séparant diffusion simple et diffusion multiple, et donc potentiellement d’améliorer l’identification de la cible.
- Le développement d’applications à fort potentiel : Au sein du département sont développées des pinces acoustiques qui permettent la caractérisation de tissus mous et la manipulation de petits objets. Elles reposent sur la génération d’un vortex acoustique focalisé et son utilisation à travers un milieu aberrant est aujourd’hui limitée. L’introduction de la méthode Self-EASE permettra la sélection des différents objets pour une manipulation sélective à travers une paroi ou autre milieu aberrant. Un cas d’application à fort enjeu est la manipulation de tissus à travers le crâne [4]. Une autre application à fort potentiel est la génération de sources de chaleur volumique dans les matériaux non ferromagnétiques. De telles sources de chaleur pourrait ouvrir à une innovante tomographie infrarouge.
(a) Barrette ultrasonore – crâne imprimé - hydrophone
(b)
Figure 2 : Expérience de focalisation à travers un crane imprimé en 3D . (a) Photo du montage et (b) intensité acoustique mesurée pour une cible préalablement placée aux coordonnées (0,0)
Sujet de thèse
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