Développement d'un système d'élastographie ultrasonore par ondes de cisaillement pour l'estimation des propriétés rhéologiques

L’élastographie par ondes de cisaillement consiste essentiellement en deux étapes: d'abord, une onde de cisaillement est générée en appliquant soigneusement une source contrôlée externe (par exemple actionneur mécanique ou force de rayonnement ultrasonore); Alors les déplacements induits sont imagés et l'élasticité tissulaire est déduite de la propagation d'onde de cisaillement mesurée. Cependant, avec les techniques d'élastographie actuellement disponibles, l'estimation quantitative correcte de la viscosité n'est pas possible. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse est double: d'abord, développer un outil capable d'estimer simultanément les propriétés viscoélastiques d'un solide souple, notamment en utilisant l'imagerie par cisaillement supersonique, puis de l'appliquer aux certains problèmes rencontrés en médecine et l'industrie alimentaire.La première étape consiste à utiliser la technique SSI pour générer des cartes de vitesses des ondes de cisaillement dans des milieux solides mous et isotropes. Dans ce contexte, cette technique a été utilisée pour évaluer le processus de coagulation du lait. Au cours de cette étape, les limites de la technique SSI pour obtenir une caractérisation rhéologique complète des solides viscoélastiques sont mis en évidence. Pour parvenir à cette caractérisation, la vitesse de propagation ondes de cisaillement et la absorption que l’onde subi en traversant le milieu doivent être évalués à la fois. Compte tenu des caractéristiques de la technique SSI, en raison des effets de diffraction due à la taille finie des sources, l’absorption ne peut pas être obtenue correctement de façon quantitative.La partie centrale de la thèse porte sur l’étude des avantages et des ses limites de la correction des effets de diffraction de la technique SSI à partir d’une approximation cylindrique. Cette étude a été réalisée expérimentalement en comparant les résultats obtenus avec ceux des simulations numériques. L’étude a montré que la correction cylindrique est utile pour estimer l'atténuation provoquée par l'absorption dans certaines conditions. Une fois déterminé la zone de validité de la procédure de correction, des cartes des vitesses et des cartes d'atténuation ont était obtenus. Ces cartes ont permis t la caractérisation rhéologique complète des milieux étudiés.Une fois validé cette correction nous avons procédé à réaliser trois applications d'intérêt pour obtenir les propriétés rhéologiques, une pour l’ industrie alimentaire et deux pour la médecine clinique : a) suivie et étude du processus de coagulation du lait b) suivie et étude de processus de la coagulation du sang in vitro, c) des expériences de caractérisation rhéologique du foie in vivo. Finalement, une étude de la correction cylindrique mis en œuvre a été utilisée pour caractériser rhéologiquement des solides mous avec isotropie transversale. Milieux avec différents degrés d'anisotropie ont été analysés à l'aide de simulations numériques. Les résultats obtenus montrent que pour de faibles niveaux d’anisotropie la correction cylindrique s’avère utile avec une erreur raisonnable. Pour des degrés plus élevés d'anisotropie la correction cylindrique conduit à des erreurs majeures dans l'estimation de l'atténuation. Des mesures des coefficients d’absorption ont été réalisées dans des phantoms de gel anisotropes et dans des échantillons de viande de bœuf avec des tissues musculaireShear wave elastography consists essentially of two steps: first, a shear wave is generated by an external controlled source (eg mechanical actuator or ultrasonic radiation force); then the induced displacements are imaged and the tissue elasticity is deduced from the measured shear wave propagation. However, with the currently available elastographic techniques, a quantitative estimation of viscosity is not possible. In this context, the objective of this thesis is twofold: first, to develop a tool capable of estimating the viscoelastic properties of a soft solid, in particular by using supersonic shear imaging (SSI), and then to apply it to some problems encountered in medicine and the food industry.The first stage consisted in using the SSI technique to generate shear wave velocity maps in soft, isotropic solid media. In this context, this technique was used to evaluate the milk coagulation process. During this stage, limitations of the SSI technique to obtain a complete rheological characterization of viscoelastic solids were demonstrated. To achieve this characterization, the velocity of the shear waves and the absorption generated when passing through the medium must be evaluated at the same time. Given the characteristics of the SSI technique, the absorption cannot be directly quantified due to diffraction.The central part of the thesis focuses in the study of the advantages and limitations of using a cylindrical approximation to correct the diffraction effects. This study was carried out experimentally and through numerical simulations. The study showed that cylindrical correction is useful for estimating the attenuation caused by absorption under certain conditions. After determining the validity zone of the correction, velocity and attenuation maps were obtained. These maps allowed the complete rheological characterization of the studied media.Once the correction was validated, three applications of interest were carried out to obtain rheological properties, one for the food industry and two for clinical medicine: a) monitoring the process of milk coagulation through storage and loss moduli maps b) following in vitro blood coagulation processes, c) rheological characterization experiments of the liver in vivo. Finally, the application of the cylindrical correction to characterize transversely isotropic soft solids was studied. Media with different degrees of anisotropy were analyzed through numerical simulations. The results obtained showed that for low levels of anisotropy the cylindrical correction proves useful within a reasonable error. For higher degrees of anisotropy the cylindrical correction leads to major errors in the estimation of the attenuation. Measurements of the absorption coefficients were performed in anisotropic gel phantoms and in beef samples with muscle tissu