3D ultrasound tissue imaging for the study of local anisotropic of the heart muscle : application to myocardial infarction

L’imagerie échographique a connu un fort développement ces dernières années. Elle possède une cadence d’imagerie allant jusqu’à plusieurs milliers d’images par secondes notamment avec l’émergence des méthodes dites ultrarapides. Il s’agit donc de la modalité la plus adaptée pour des applications cardiaques permettant non seulement la reconstruction d’images mais également l’extraction de paramètres pour la caractérisation tissulaire, comme l’anisotropie locale présente dans le cœur. En effet, cet arrangement fibreux peut être modifié dans le cas de pathologies cardiaques. L’objectif de ce travail de doctorat est le développement d’une méthode d’extraction par imagerie ultrasonore 3D de l’orientation locale d’un milieu anisotrope. Cette approche doit permettre l’imagerie avec un large champ de vue pour être appliquée en imagerie cardiaque. Enfin, la validation de la chaîne de traitement est nécessaire. Pour répondre à ces problématiques, plusieurs solutions ont été proposées. Tout d’abord, l’orientation locale a été évaluée grâce à une méthode de cohérence spatiale permettant l’estimation de l’orientation dans un plan parallèle à la surface de la sonde. Une fois mise au point et validée, cette stratégie a été étendue afin d’extraire l’orientation locale en 3D et non uniquement l’angle dans un plan. Enfin, l’étude de différents types de transmissions a également été effectuée dans le but d’élargir le champ de vue imagé. Toutes ces méthodes originales ont été appliquées et validées sur des données acquises sur fantôme et in vivo. Ainsi, la détermination de l’orientation locale d’un milieu anisotrope a tout d’abord été réalisée sur un fantôme monodirectionnel puis sur le biceps d’un volontaire. Pour cela, un système expérimental constitué de quatre échographes de recherche a été élaboré grâce à la mise en commun d’équipements de CREATIS et du LabTAU, un autre laboratoire Lyonnais, afin d’acquérir des données en 3D. Ces travaux ont ainsi permis l’extension au cas d’une orientation non parallèle à la surface de la sonde d’un milieu anisotrope ainsi qu’une amélioration en termes de taille de champ de vue de la méthode existante. La validation de toute la chaîne de traitement a été réalisée. L’application au tissu cardiaque in vivo s’inscrit dans les directes perspectives des travauxUltrasound imaging has strongly developed in recent years. It reaches now a frame rates of several thousand images per second, thanks to the emergence of ultrafast imaging. It is therefore the most suitable modality for cardiac applications. Not only does it allow the reconstruction of images, it also enables the extraction of parameters for tissue characterization, such as local anisotropy inside the heart muscle. Indeed, this fibrous layout can be modified in the case of cardiac pathologies. The aim of this doctoral work is the development of a method to extract the local orientation of an anisotropic environment by 3D ultrasound imaging. This approach should allow imaging with a wide field a view to be applied in cardiac imaging. Finally, the validation of the processing chain is necessary. To address these issues, several solutions have been proposed. First, the local orientation was evaluated using a spatial coherence method. It allowed assessing the orientation of fibres in a plane parallel to the surface of the probe. Once developed and validated, this strategy was extended to extract the local orientation in 3D and not only the angle in a plane. Finally, the study of different types of transmissions was also carried out in order to widen the imaged field of view. All these original methods have been applied and validated on phantom and in vivo data: the determination of the local orientation of an anisotropic environment was first performed on a monodirectional phantom and then on the biceps of a volunteer. For this purpose, an experimental system consisting of four research ultrasound scanners was developed thanks to the sharing of equipment from CREATIS and LabTAU, another laboratory in Lyon, in order to acquire 3D data. This work has thus made it possible both to extend an anisotropic environment to the case of an orientation not parallel to the surface of the probe and to improve the size of the field of view of the existing method. The validation of the entire processing chain has been completed. Applying this method to in vivo cardiac tissue is directly part of future studie