CARACTERISATION ULTRASONORE DES TISSUS BIOLOGIQUES A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE click here for english

Emilie Franceschini, Eric Debieu
Collaboration LMA OR Méthodes d’Interface : Bruno Lombard, Joel Piraux
Collaboration internationale : Guy Cloutier (Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics, Quebec, Canada)

Caractérisation ultrasonore des tumeurs cancéreuses du sein à l’échelle microscopique

Le procédé classique pour déterminer le caractère bénin ou malin d’une tumeur nécessite une biopsie, i.e. un prélèvement de tissus, afin d’observer sous microscope optique la taille et l’organisation spatiale des cellules de l’échantillon (ref figure 1). L’objectif des méthodes de caractérisation ultrasonores, en particulier la méthode ultrasonore microscopique d’estimation de taille, est de remonter à ces mêmes informations : taille et organisation spatiale des diffuseurs ; l’intérêt de la technique acoustique étant d’être non-intrusive contrairement à la méthode optique précédente. Néanmoins, la méthode ultrasonore microscopique d’estimation de taille nécessite encore d’être développée afin d’augmenter sa spécificité. Notre premier objectif est d’identifier les principales microstructures responsables de la diffusion ultrasonore afin de développer un modèle de diffusion approprié. Notre second objectif est de combiner les techniques tomographiques avec la technique microscopique d’estimation de taille. Le système d’imagerie combiné permettra d’obtenir des informations sur les paramètres acoustiques aux échelles macroscopiques et microscopiques. De plus, les images d’atténuation reconstruites avec les techniques tomographiques pourront être utilisées pour prendre en compte l’effet de l’atténuation sur la méthode microscopique.

Fig 1 - Images de coupes histologiques d’un carcinome (tumeur maligne) obtenues au microscope optique. Ce type d’images permet d’obtenir des informations sur la taille et l’arrangement spatial des structures cellulaires et sub-cellulaires.

Caractérisation ultrasonore de l’agrégation érythrocytaire à l’échelle microscopique

(collaboration avec le Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale, Montreal, Canada)

Les méthodes ultrasonores microscopiques d’estimation de taille se présentent comme un outil prometteur pour caractériser l’agrégation érytrocytaire de façon non invasive. Ces méthodes sont basées sur l’analyse des spectres de puissance des signaux ultrasonores rétrodiffusés par le sang. Ces signaux contiennent des informations sur l’arrangement spatial, la taille et les propriétés mécaniques des diffuseurs, informations permettant la caractérisation. Néanmoins, il est difficile d’appliquer ces techniques in vivo à cause de l’atténuation des tissus intermédiaires situés entre la sonde et le sang. Grâce à une expérience in vitro, nous avons montré les effets de l’atténuation sur la détermination ultrasonore des paramètres quantitatifs de la microstructure des agrégats. Cette expérience a permis aussi de valider une méthode d’optimisation originale permettant d’évaluer simultanément l’atténuation des tissus intermédiaires et les paramètres quantitatifs de microstructure des tissus.
Nous réalisons aussi des simulations numériques de la propagation des ondes ultrasonores afin de mieux comprendre la relation entre les paramètres décrivant le niveau d’agrégation et le coefficient de rétrodiffusion.

Fig 2 - Images quantitatives de sang de porc cisaillé dans un dispositif de Couette et superposées avec les images B-mode. Un écoulement sanguin est réalisé dans un dispositif de Couette, cet écoulement contient des agrégats de globules rouges qui ont une taille caractéristique (dépendant de la vitesse de cisaillement à laquelle ils sont soumis). Une couche de gel d’agar et de sigmacell est placée entre le transducteur et l’écoulement, et permet de modéliser une couche de tissu absorbant. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés par le sang ont été analysés par notre méthode d’optimisation, appelée "Structure Factor Size and Attenuation Estimator" (SFSAE), pour évaluer simultanément l’atténuation des tissus intermédiaires et les paramètres quantitatifs de microstructure des tissus (le facteur d’entassement W et le diamètre des agrégats exprimé en nombre de globules rouges D).

Publications

• Franceschini E., Metzger B. & Cloutier G., Forward problem study of an effective medium model for ultrasound blood characterization, IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., in press (2011)

• Saha R. K., Franceschini E. & Cloutier G., Assessment of accuracy of the structure-factor-size-estimator method in determining red blood cell aggregate size from ultrasound spectral backscatter coefficient, J. Acoust. Soc. Amer., 129(4) 2269-2277 (2011)

• Franceschini E., Yu F. T. H., Destrempes F. & Cloutier G., Ultrasound characterization of red blood cell aggregation with intervening attenuating tissue-mimicking phantoms, J. Acoust. Soc. Amer. 127(2) 1104-1115 (2010)

• Yu F. T. H., Franceschini E., Chayer B., Armstrong J. K., Meiselman H. J., & Cloutier G., Ultrasonic parametric imaging of erythrocyte agregation using the structure factor size estimator, Biorheology 123 343-363 (2009)

• Franceschini E., Yu F. T. H., & Cloutier G., Simultaneous estimation of attenuation and structure parameters of aggregated red blood cells from backscatter measurements, J. Acoust. Soc. Amer. 123 EL85-91 (2008)