La présente invention est relative aux procédés et dispositifs d'imagerie ultrasonore.

Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'imagerie ultrasonore pour imager un champ d'observation dans un milieu à imager contenant des diffuseurs, ledit procédé comprenant plusieurs étapes successives de mesure au cours de chacune desquelles :

- on fait émettre par un réseau de transducteurs une onde ultrasonore incidente dans le champ d'observation, de longueur d'onde centrale λ,

- puis on enregistre des signaux bruts Sj(i,t) captés par chaque transducteur et représentatifs d'une onde ultrasonore réfléchie réverbérée par les diffuseurs du milieu à partir de l'onde incidente, i étant un indice désignant chaque transducteur, j étant un indice désignant chaque étape de mesure et t désignant le temps,

le réseau de transducteurs s 'étendant selon au moins une dimension et les ondes incidentes se propageant principalement selon une direction de propagation perpendiculaire au réseau de transducteurs.

Dans les procédés connus de ce type, les signaux bruts des différents transducteurs sont combinés entre eux pour chaque tir, par exemple par formation de voie, pour obtenir des images correspondant à chaque tir. La résolution de l'image est classiquement limitée à λ/2, où λ est la longueur d'onde des ultrasons (pour des ultrasons à 1.5 MHz, λ est de l'ordre de 1 mm dans les tissus humains mous ) .

La présente invention a notamment pour but d'obtenir une image ultrasonore ayant une résolution meilleure que λ/2.

A cet effet, selon l'invention, un procédé du genre en question est caractérisé en ce qu'on génère un nombre maximum C de cibles différentielles, différentes d'une étape de mesure à l'autre, chaque cible différentielle étant un diffuseur qui est présent dans le champ d'observation lors d'une étape de mesure et absent lors d'une étape de mesure immédiatement adjacente,

le nombre C étant au plus égal à INT (A/ (5λ) ² )+1, où A est une aire du champ d'observation,

et en ce que ledit procédé comporte en outre les étapes suivantes :

- une étape de traitement différentiel au cours de laquelle on compare les signaux bruts S _j (i,t) correspondant à des étapes de mesure successives d'indice j pour en extraire des signaux différentiels V _j (i,t) représentatifs de variations entre signaux bruts des étapes de mesure successives,

une étape d'ajustement au cours de laquelle on détermine au moins une fonction y = P _j (x) correspondant à chaque signal différentiel V _j (i,t), où x est une variable d'espace désignant une position perpendiculairement à la direction de propagation et y est une coordonnée désignant la position d'un point le long de la direction de propagation correspondant à un temps de trajet t (y = c.t/2 si t est le temps d'aller-retour entre l'émission de l'onde incidente et la détection de l'onde réfléchie),

- et une étape de localisation au cours de laquelle on détermine un sommet A _j (x ₀ ,yo) de ladite fonction P _j , correspondant à la position de la cible différentielle.

On notera que les cibles différentielles susmentionnées peuvent correspondre par exemple à des destructions successives de microbulles ou similaires sous l'effet d'ondes ultrasonores.

Grâce à ces dispositions, les diffuseurs constituant les cibles différentielles susmentionnées, sont activés individuellement et repérés individuellement à partir des signaux bruts captés et non à partir d'une image déjà constituée, de sorte qu'il est possible de les repérer de façon très précise dans l'espace avec une précision très inférieure à λ/2, pouvant aller par exemple jusqu'à λ/200. Les positions des diffuseurs ainsi repérées peuvent ensuite servir à bâtir une image du milieu, avec une résolution très inférieure à λ/2, par exemple de l'ordre de λ/50 à λ/200. L'invention proposée permet ainsi d'améliorer très significativement la résolution de l'imagerie ultrasonore.

Plus précisément, l'invention permet de n'activer qu'un nombre limité de diffuseurs à la fois afin de pouvoir distinguer le front d'onde individuel provenant d'une cible que l'on veut localiser. Le front d'onde n'étant plus une superposition de l'écho de plusieurs cibles, sa forme est précisément définie par la position d'un diffuseur distinct. Cette position peut être établie à quelques micromètres près. Afin de n'activer qu'un nombre limité de diffuseurs, l'invention peut exploiter divers effets de seuil générant ou supprimant des diffuseurs ponctuels d'ultrasons : en particulier, les agents de contraste ultrasonores (microbulles, micro-gouttelettes ou liposomes) sont affectés par les ultrasons qui peuvent induire leur explosion ou vaporisation. Cela génère une cible qui apparaît et/ou disparait en un temps très bref, de l'ordre de la milliseconde ou de quelques millisecondes. Le front d'onde lié à ce diffuseur ponctuel peut être obtenu notamment en soustrayant les signaux rétrodiffusés lorsque la cible est présente, des signaux rétrodiffusés lorsque la cible est absente.

Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

le nombre C est au plus égal à 2, de préférence égal à 1 ;

- au cours de l'étape d'ajustement, on détermine la fonction y = P (x) en ajustant ladite fonction pour minimiser des écarts avec des points D (xi,yi), où x± est une variable d'espace désignant une position de chaque transducteur i perpendiculairement à la direction de propagation et yi est une coordonnée désignant la position d'un point le long de la direction de propagation correspondant à un temps de trajet t± caractéristique du signal Vj(i,t) (il peut par exemple s'agir du maximum du signal V _j (i,t) ou du front d'onde du signal V _j (i,t), ou autre) ;

- ladite fonction P est parabolique ;

l'étape de traitement différentiel comporte une sous-étape de calcul de signaux différentiels bruts au cours de laquelle on détermine des signaux différentiels bruts Vbj(i,t) = S ₃ (i,t) - Sj_i(i,t) ;

- l'étape de traitement différentiel comporte une sous-étape de calcul de signaux différentiels bruts au cours de laquelle on détermine des signaux différentiels bruts Vb _j (i,t) au moins par un filtrage passe-haut des signaux bruts Sj(i,t) sur j ;

- l'étape de traitement différentiel comporte en outre une sous-étape de détermination d'enveloppe au cours de laquelle on détermine les signaux différentiels V _j (i,t) en calculant une enveloppe temporelle de chaque signal différentiel brut Vb _j (i,t) ;

- au cours de l'étape de traitement différentiel, les signaux différentiels bruts subissent un filtrage temporel passe-bas sur t avant la sous-étape de détermination d'enveloppe ;

la sous-étape de détermination d'enveloppe comporte un calcul d'une enveloppe temporelle Ve- _j (i,t) puis un filtrage passe-bas des enveloppes temporelles Vej(i,t) sur i, pour obtenir les signaux différentiels V _j (i,t) ;

le champ d'observation comporte des microbulles constituant lesdits diffuseurs et on détecte les microbulles ayant disparu du champ d'observation d'une étape de mesure à l'autre, ces microbulles disparues constituant lesdites cibles différentielles ;

l'onde incidente émise présente une amplitude adaptée pour détruire le nombre maximum C de microbulles à chaque étape de mesure ;

l'onde incidente émise à chaque étape de mesure présente une amplitude adaptée pour ne pas détruire de microbulles et le procédé comporte en outre, en alternance avec les étapes de mesure, des étapes de destruction au cours desquelles on émet une onde ultrasonore destructive ayant une amplitude adaptée pour détruire le nombre maximum C de microbulles à chaque étape de destruction ;

les positions Aj(x ₀ ,yo) des cibles différentielles successives sont reportées sur une image du champ d'observation (obtenue par une méthode d'imagerie choisie parmi 1 'échographie, la radiologie, l'IRM, etc.) ;

ladite image du champ d'observation est obtenue par échographie à partir dudit réseau de transducteurs.

Par ailleurs, l'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, ce dispositif comportant un réseau de transducteurs commandé par un dispositif de commande et traitement adapté pour imager un champ d'observation dans un milieu à imager contenant des diffuseurs,

le dispositif de commande et traitement étant adapté pour, au cours de plusieurs étapes successives de mesure :

- faire émettre par le réseau de transducteurs une onde ultrasonore incidente dans le champ d'observation à chaque étape de mesure,

- puis enregistrer des signaux bruts S _j (i,t) captés par chaque transducteur et représentatifs d'une onde ultrasonore réfléchie réverbérée par les diffuseurs du milieu à partir de l'onde incidente, i étant un indice désignant chaque capteur, j étant un indice désignant chaque étape de mesure et t désignant le temps, le réseau de transducteurs s 'étendant selon au plus deux dimensions et les ondes incidentes se propageant principalement selon une direction de propagation perpendiculaire au réseau de transducteurs,

caractérisé en ce que le dispositif de commande et traitement est adapté pour générer un nombre maximum C de cibles différentielles, différentes d'une étape de mesure à l'autre, chaque cible différentielle étant un diffuseur qui est présent dans le champ d'observation lors d'une étape de mesure et absent lors d'une étape de mesure immédiatement adjacente,

et en ce que le dispositif de commande et traitement est en outre adapté pour réaliser en outre les étapes suivantes :

une étape de traitement différentiel au cours de laquelle on compare les signaux bruts S _j (i,t) correspondant à des étapes de mesure successives d'indice j pour en extraire des signaux différentiels V _j (i,t) représentatifs de variations entre signaux bruts des étapes de mesure successives ,

- une étape d'ajustement au cours de laquelle on détermine au moins une fonction y = P _j (x) correspondant à chaque signal différentiel V _j (i,t), où x est une variable d'espace désignant une position perpendiculairement à la direction de propagation et y est une coordonnée désignant la position d'un point le long de la direction de propagation correspondant à un temps de trajet t,

et une étape de localisation au cours de laquelle on détermine un sommet A _j (x ₀ ,yo) de ladite fonction P _j , correspondant à la position de la cible différentielle.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.

Sur les dessins :

- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d'imagerie ultrasonore selon un mode de réalisation de l'invention,

la figure 2 est un schéma montrant un détail du milieu à imager,

- la figure 3 est un graphe représentant des signaux différentiels V obtenus par le procédé d'imagerie selon un mode de réalisation de l'invention,

et la figure 4 est un graphe similaire à la figure 3, montrant une courbe parabolique P ajustée sur les signaux différentiels V _j et la position du sommet A de cette courbe, correspondant à une cible différentielle qui est positionnée dans le milieu à imager avec une précision très inférieure à la longueur d'onde des ondes ultrasonores utilisées .

La figure 1 montre un exemple de dispositif 1 adapté pour imager un milieu 2 (par exemple une partie du corps d'un patient) par émission et réception d'ondes ultrasonores de compression, notamment dans un champ d'observation 8. Le milieu 2 est diffusant pour les ondes ultrasonores, c'est-à-dire qu'il est hétérogène et/ou contient des diffuseurs répartis de manière aléatoire et capables de réfléchir les ondes ultrasonores émises dans le milieu 2.

Le dispositif d'imagerie représenté sur la figure 1 comporte un réseau 3 de transducteurs ΊΊ-Τ _η , par exemple un réseau linéaire s 'étendant selon un axe X (ou selon deux axes dans le cas où le réseau 3 serait à deux dimensions), ou le cas échéant un réseau à deux dimensions. Ce réseau 3 comporte un nombre n de transducteurs, n pouvant par exemple être compris entre 50 et 500, voire supérieur à 5000 pour un réseau à 2 dimensions. On peut par exemple utiliser une barrette linéaire de 60 à 100 transducteurs ayant chacun une largeur inférieure par exemple à 1 mm selon l'axe X.

Le réseau 3 de transducteurs est commandé par un dispositif de commande et traitement 4 (UC) par exemple une unité centrale informatique ou plusieurs unités centrales. Le dispositif de commande et traitement 4 est adapté pour commander individuellement les transducteurs du réseau 3 et pour enregistrer et traiter les signaux rétrodiffusés par le milieu 2 de façon à faire une image du milieu.

Dans l'exemple considéré, le dispositif d'imagerie 1 comporte en outre un écran 5 ou toute autre interface utilisateur permettant de visualiser une image du champ d'observation telle que celle représentée sur la figure 2, qui montre des vaisseaux capillaires 6 du corps humain 2, vaisseaux dans lesquelles circulent des microbulles 7 ou similaires, précédemment injectées dans le milieu 2 (par exemple dans le système sanguin) et constituant des diffuseurs capables de rétrodiffuser les ondes ultrasonores émises par le réseau 3 de transducteurs.

Ces microbulles peuvent par exemple être du type de celles décrites par Dayton et al. [Molecular ultrasound imaging using microbubble contrast agent - Frontiers in Bioscience 12, 5124-5142 - septembre 2007] .

Le dispositif de commande et traitement 4 est adapté (programmé) pour mettre en œuvre le procédé d'imagerie décrit ci-après, comportant :

(a) une pluralité d'étapes de mesure, au cours desquelles le dispositif de commande et traitement 4 enregistre des signaux bruts,

(a') ces étapes de mesures étant séparées éventuellement par des étapes de destruction de microbulles ,

(b) au moins une étape de traitement différentiel des signaux bruts, pour obtenir des signaux différentiels représentatifs de cibles différentielles constituées en l'occurrence par des destructions de microbulles ,

(c) au moins une étape d'ajustement au cours de laquelle on ajuste une courbe parabolique sur chaque signal différentiel ,

(d) et au moins une étape de localisation au cours de laquelle on détermine un sommet de chaque courbe parabolique, correspondant à la position de la cible différentielle.

(a) Etape de mesure :

Le procédé comporte plusieurs étapes successives de mesure, au nombre de N, par exemple environ 400 étapes de mesure répétées environ toutes les ms ou moins.

A cours de chacune des ces étapes de mesure, on fait émettre par le réseau 3 de transducteurs une onde ultrasonore incidente dans le champ d'observation 8, par exemple une onde plane ou éventuellement une onde focalisée, puis on enregistre des signaux bruts S _j (i,t) captés par chaque transducteur ΊΊ-Τ _η et représentatifs d'une onde ultrasonore réfléchie réverbérée par les diffuseurs du milieu à partir de l'onde incidente, i étant un indice désignant chaque transducteur, j étant un indice désignant chaque étape de mesure et t désignant le temps.

On notera que les signaux bruts ne sont pas des images échographiques , la réalisation d'une image échographique nécessitant un traitement des signaux bruts, par exemple par formation de voie.

Au moins l'une des étapes de mesure peut toutefois servir à établir une image échographique du champ d'observation 8 par le dispositif de commande et traitement 4, avec une résolution millimétrique classique, cette image étant ensuite superposée aux positions des cibles différentielles obtenues à l'étape (e) qui sera décrite ci- après. Eventuellement, des images échographiques peuvent être réalisées par le dispositif de commande et traitement 4 à plusieurs étapes de mesure ou à chaque étape de mesure, pour tenir compte d'éventuelles déformations du milieu 2 au cours du déroulement du procédé.

Selon l'invention, d'une étape de mesure à l'autre, on détruit un faible nombre C de microbulles. C est un nombre maximum de microbulles détruites dans le champ d'observation 8 d'une étape de mesure à l'autre. Chaque microbulle détruite sera ici appelée cible différentielle. Plus généralement, les cibles différentielles peuvent être des diffuseurs disparus ou apparus d'une étape de mesure à l'autre, c'est à dire des diffuseurs présents dans le champ d'observation lors d'une étape de mesure et absents lors d'une étape de mesure immédiatement adjacente.

Le nombre C est généralement au plus égal à 2, de préférence au plus égal à 1. Plus généralement, le nombre C peut être au plus égal à INT (A/ (5λ) ² )+1, où A est une aire du champ d'observation et INT désigne la fonction partie entière .

Destruction de microbulles :

Pour obtenir cette destruction de microbulles, le dispositif de commande et traitement 4 fait émettre par le réseau 3 de transducteurs, des ondes ultrasonores (par exemple des ondes planes ou éventuellement des ondes focalisées) d'amplitude juste suffisante pour détruire le nombre maximum C susmentionné de microbulles. Cette amplitude peut être déterminée empiriquement lors d'une étape initiale de réglage (dans ce cas on détermine par échographie la quantité de microbulles détruites à chaque tir d'onde ultrasonore), ou bien elle peut être déterminée (empiriquement ou par le calcul) à l'avance en fonction des conditions opératoires.

Ces ondes ultrasonores servant à détruire une ou quelques microbulle ( s ) à chaque tir, peuvent être :

soit les ondes incidentes émises à chaque étape de mesure, auquel cas le procédé ne comporte pas d'étape spécifique de destruction de microbulles, soit des ondes ultrasonores destructives d'amplitude supérieure aux ondes incidentes des étapes de mesure, lesdites ondes destructives étant émises chacune au cours d'une étape de destruction de microbulles (a'), intercalée entre deux étapes de mesure (a) .

(b) Etape de traitement différentiel :

Après enregistrement des signaux bruts S _j (i,t), on procède à une étape de traitement différentiel, qui peut débuter après enregistrement complet de tous les signaux bruts ou simplement après enregistrement des premiers signaux bruts, en se déroulant alors partiellement pendant que les autres signaux bruts s'enregistrent.

Au cours de cette étape de traitement différentiel, le dispositif de commande et traitement 4 compare les signaux bruts S _j (i,t) correspondant à des étapes de mesure successives d'indice j, pour en extraire des signaux différentiels V _j (i,t) représentatifs de variations entre signaux bruts des étapes de mesure successives. Ces signaux, correspondant à des événements ponctuels isolés, sont généralement de type impulsionnel sur chaque canal de réception, c'est-à-dire sur chaque transducteur.

Cette étape de traitement différentiel peut elle- même comporter plusieurs sous-étapes, qui s'enchaînent par exemple comme suit :

(bl) sous-étape de calcul de signaux différentiels bruts

Au cours de cette sous-étape, le dispositif de commande et traitement 4 calcule des signaux différentiels bruts Vb _j (i,t).

Ces signaux différentiels bruts Vbj(i,t) peuvent être obtenus par exemple de deux façons à partir des signaux bruts Sj(i,t) :

soit par calcul de différences : Vb _j (i,t) = Sj(i,t) - Sj-i(i,t), pour j =2 à N ; - soit par un filtrage passe-haut des signaux bruts S _j (i,t), le filtrage étant effectué sur j pour ne conserver que les changements rapides entre les signaux bruts obtenus aux différentes étapes de mesure .

(b2) filtrage temporel passe-bas sur t

Le dispositif de commande et traitement 4 peut ensuite éventuellement procéder à une sous-étape de filtrage temporel passe-bas sur t, des signaux différentiels bruts Vbj(i,t).

(b3) détermination d'enveloppe

Le dispositif de commande et traitement 4 peut ensuite procéder à une sous-étape de détermination d'enveloppe au cours de laquelle on détermine les signaux différentiels Vj(i,t) en :

calculant une enveloppe temporelle Ve- _j (i,t) des signaux différentiels bruts Vbj(i,t) filtrés issus de la sous-étape (b2),

puis en procédant à un filtrage passe-bas sur i des enveloppes temporelles Ve- _j (i,t), pour obtenir les signaux différentiels Vj(i,t). (c) Etape d'ajustement

Le dispositif de commande et traitement 4 procède ensuite à une étape d'ajustement au cours de laquelle on détermine au moins une fonction y = P _j (x) correspondant à chaque signal différentiel Vj(i,t).

Pour cela, le dispositif de commande et traitement

4 détermine d'abord des maxima Vj(i, t±) de Vj(i,t) pour chaque transducteur i, et pour chaque étape de mesure j>l.

Puis le dispositif de commande et traitement 4 en déduit des points correspondants D (xi,yi) du champ d'observation 8, où : xi est une variable d'espace désignant une position de chaque transducteur i perpendiculairement à la direction de propagation (c'est-à-dire une variable unidimensionnelle consistant simplement en une coordonnée x le long de l'axe X dans le cas considéré ici, ou le cas échéant une variable bidimensionnelles comprenant deux coordonnées selon deux axes dans le cas d'un réseau 3 à deux dimensions),

et yi est une coordonnée désignant la position d'un point le long de la direction de propagation correspondant à au temps de trajet t± pour lequel V _j (i,t) est maximum (y± = c.t±/2, où c est la célérité de l'onde ultrasonore) .

On notera que, plus généralement, ces points D _j (xi,yi), pourraient être déterminés avec des valeurs yi désignant la position d'un point le long de la direction de propagation correspondant à un temps de trajet t± caractéristique du signal V _j (i,t) : ce temps peut pas exemple correspondre au maximum du signal V _j (i,t) comme décrit ci-dessus, ou correspondre au front d'onde du signal V _j (i,t), ou autre.

Ensuite, le dispositif de commande et traitement 4 détermine pour chaque étape de mesure j>l, une fonction y = P (x) qui est ajustée pour minimiser les écarts avec les points D _j (xi,yi) (par exemple, on minimise l'écart quadratique ^ (Pj(X _j ) - y _; ) ² ) . La fonction y = P _j (x) est une fonction continue sur x, de préférence une fonction polynomiale du second degré (parabolique) . Cette fonction correspond à une parabole pour un réseau 3 linéaire tel que décrit ici, ou un paraboloïde pour un réseau 3 bidimensionnel .

(d) Etape de localisation

Enfin, le dispositif de commande et traitement 4 procède à une étape de localisation de la cible différentielle de chaque étape de mesure j>l, c'est-à-dire pour simplifier, une localisation de la microbulle ayant disparu entre les étapes de mesure j-1 et j . A cet effet, le dispositif de commande et traitement 4 détermine le sommet A _j (x ₀ ,yo) de la fonction P _j susmentionnée, et ce sommet correspond à la position de la cible différentielle, déterminée avec une résolution nettement inférieure à la longueur d'ondes des ondes ultrasonores utilisées, par exemple de l'ordre de λ/50 à λ/200.

Les positions Aj(x ₀ ,yo) des cibles différentielles successives peuvent ensuite être avantageusement reportées sur l'image du champ d'observation 8, obtenue par exemple par échographie comme indiqué ci-dessus (ou sur toute autre image du champ d'observation, obtenue par exemple par radiographie, IRM ou autre) , de façon à obtenir une image de très haute résolution du champ d'observation 8.

Les étapes (c) et (d) susmentionnées peuvent être réalisées une fois tous les signaux différentiels déterminés, ou au fur et à mesure du calcul de ces signaux différentiels V _j (i,t) .

On notera par ailleurs que les cibles différentielles susmentionnées peuvent correspondre à la création de microbulles ou d'autres diffuseurs, par exemple des bulles de cavitation obtenues entre les étapes de mesure par focalisation d'ultrasons ou par effet photo ^¬ acoustique, en utilisant notamment le réseau 3 de transducteurs .