Jury

• Directeur de thèse : Mme Emilie FRANCESCHINI / AMU, CNRS, Centrale Marseille, LMA UMR 7031
• Rapporteur : Mme LORI BRIDAL / Laboratoire d’Imagerie Biomédicale UMR 7371 - U1146
• Directeur de thèse : M. Alessandro SAVOIA / Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi Roma Tre
• Rapporteur : M. Hervé LIEBGOTT / IUT Lyon1 Université Claude Bernard Lyon 1, CREATIS - INSA
• Examinateur : M. Piero TORTOLI / Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Firenze
• Examinateur : M. Emmanuel LE CLEZIO / Institut d’électronique et des systèmes, Université de Montpellier

Résumé

Les techniques quantitatives ultrasonores pour l’estimation des microstructures tissulaires supposent généralement que le tissu étudié est homogène et isotrope. Cependant, certains tissus biologiques comme le sang, le myocarde ou le biceps présentent des propriétés acoustiques dépendants de l’angle d’incidence (coefficient de rétrodiffusion BSC et/ou atténuation).
L’objectif de cette thèse est de prendre en compte l’anisotropie des microstructures tissulaires pour l’analyse de la rétrodiffusion ultrasonore afin de modéliser la diffusion par des agrégats de globules rouges, et de développer des stratégies expérimentales afin de mesurer l’anisotropie tissulaire. Dans la première partie de ce travail, un modèle de rétrodiffusion est proposé et évalué numériquement pour caractériser la microstructure anisotrope des agrégats de globules rouges.
Dans le domaine de la caractérisation ultrasonore de l’agrégation érythrocytaire, les théories de diffusion utilisées (Théorie de Milieu Effectif combinée à un Modèle de Facteur de Structure - TMEMFS, ou à l’Approximation Locale Monodisperse - TMEALM) supposent des agrégats sphériques, alors que les globules rouges ont tendance à former des rouleaux anisotropes pour du sang humain normal. La prise en compte de l’anisotropie pourrait permettre d’améliorer la sensibilité et la spécificité des techniques d’estimation de structures des agrégats de globules rouges. La formulation théorique anisotrope du TMEALM est développée et comparée à des simulations numériques de diffusion par des agrégats dans le cadre d’une étude du problème direct (i.e., les BSCs théoriques et simulés sont déterminés à partir des propriétés de structures connues des agrégats de globules rouges). Les simulations ont été réalisées à partir de configurations d’agrégation simples (agrégats sphériques polydisperses), de configurations modérées (agrégats sous forme d’ellipsoïdes alignées ou orientées de façon aléatoire) jusqu’à des configurations complexes plus réalistes. Les configurations d’agrégation complexes correspondent aux distributions de taille et d’orientation d’agrégats obtenues à partir de mesures optiques sur du sang cisaillé sous écoulement contrôlé. Ensuite, les modèles TMEALM isotrope et anisotrope sont comparés dans le cadre d’une étude du problème inverse pour estimer les paramètres de structures des agrégats à partir des BSCs simulés. La capacité des modèles TMEALM à estimer la distribution de tailles des agrégats est discutée.
Dans la deuxième partie de ce travail, une stratégie expérimentale est évaluée pour mesurer l’anisotropie de fantômes de tissus biologiques en utilisant une sonde à transducteurs capacitifs micro-usinés (CMUT) ou une sonde piézoélectrique commerciale. La procédure expérimentale consiste à utiliser un système d’imagerie par ultrasons avec une sonde linéaire pour émettre un faisceau orienté et focalisé sur un milieu étudié, et à collecter les signaux rétrodiffusés pour différents angles d’incidence. Ces signaux rétrodiffusés sont ensuite traités afin de mesurer les BSCs. Cependant, la performance de la sonde est affectée par la directivité des éléments (conception du réseau) et la diaphonie (technologie des transducteurs), ce qui impose un angle maximal pour lequel le BSC peut être mesuré, indépendamment de la stratégie d’imagerie utilisée. Une comparaison expérimentale des performances des sondes CMUT et piézoélectrique est effectuée afin de mesurer les BSCs sur des fantômes de tissus biologiques isotrope et anisotrope. Tout d’abord, la précision de l’orientation du faisceau est évaluée par des mesures bidimensionnelles de la forme du faisceau transmis à l’aide d’un hydrophone. Les mesures de BSCs sont ensuite effectuées in vitro en utilisant la méthode du fantôme de référence. Les résultats montrent que la sonde CMUT (avec une diaphonie réduite) est capable d’orienter le faisceau et de mesurer le BSC dans une plage angulaire d’environ ±15° (contre ±5° pour la sonde piézoélectrique).