Génération de champs acoustiques contrôlés par inversion d’image échographique – Focalisation sélective et applications

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 œuvre 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] ont été récemment confirmées par des résultats expérimentaux préliminaires obtenus à travers un crâne humain imprimé en 3D (Figure 1).
Ces résultats montrent le fort potentiel de la méthode.
Le projet porte sur :

  • L’amélioration de la maniabilité et de la robustesse : implémentation en temps réel et exploitation d’éclairages multiples.
  • Le développement d’une méthode hybride avec d’autres méthodes d’imagerie : 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. Une autre piste à explorer est la combinaison avec l’imagerie par migration de phase en milieux hétérogènes [4].
  • La conception d’un réseau de transducteurs optimisé pour la méthode
  • Le développement d’une application 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 [5]. Une autre application à fort potentiel est la génération de sources volumiques de chaleur dans les matériaux non ferromagnétiques. De telles sources de chaleur pourraient ouvrir à une innovante tomographie infrarouge.

Références :

[1] : C. Prada and M. Fink, “Eigenmodes of the time reversal operator: A solution to selective focusing in multiple-target media,” Wave Motion, vol. 20, no. 94, pp. 151–163, 1994.

[2] : S. Rodriguez, X. Jacob, and V. Gibiat, “Selective focusing through target identification and experimental acoustic signature extraction: Numerical experiments,” Ultrasonics,
vol. 68, pp. 8–16, 2016.

[3] : A. Aubry and A. Derode, “Detection and imaging in a random medium: A matrix method to overcome multiple scattering and aberration,” J. Appl. Phys., vol. 106, no. 4, 2009.

[4] : C. Jiang, Y. Li, K. Xu, and D. Ta, “Full-Matrix Phase Shift Migration Method for Transcranial Ultrasonic Imaging,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 68, no. 1, pp. 72–83, 2021.

[5] : S. Jiménez-Gambín, N. Jiménez, and F. Camarena, “Transcranial Focusing of Ultrasonic Vortices by Acoustic Holograms,” Phys. Rev. Appl., vol. 14, no. 5, p. 1, 2020.

Mission

Les missions du·de la doctorant·e seront entre autres :

  • Prendre en main la méthodologie expérimentale actuellement en place (pilotage de l’électronique 128 voies via Matlab, implémentation numérique de la méthode, pilotage de la mesure de champ à l’aide d’un hydrophone),
  • Consolider et optimiser la chaine expérimentale et de traitement pour une application temps réel robuste,
  • Concevoir un réseau de transducteurs optimisé pour la méthode 
  • Développer une application autour de la manipulation d’objet par pinces acoustiques ou de la génération de chaleur,
  • Diffuser les résultats sous forme de présentations orales et de publications

Compétences nécessaires ou à développer

  • Une bonne connaissance de la propagation des ondes et de l’acoustique en général,
  • Des bases de traitement du signal,
  • La programmation avec Matlab,
  • Un goût pour les travaux expérimentaux.

Modalités

La thèse aura lieu dans le département Acoustique Physique de l’Institut de Mécanique et d’ingénierie de Bordeaux (I2M – UMR 5295).
Début prévu : septembre ou octobre 2024

Mise à jour le 16/02/2024

Informations

Contact

Samuel Rodriguez
I2M

05 40 00 87 89
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