Echographie 3D : techniques et applications

L’IMAGERIE ULTRASONORE est aujourd’hui couramment utilisée en médecine. Les examens échographiques comportent cependant certaines limites, car l’exploration est réalisée par des plans de coupes alors que les structures étudiées ont trois dimensions. L’échographie 3D tente de pallier cet inconvénient et suscite un intérêt croissant depuis une dizaine d’années.

Techniques échographiques

Le principe de l’échographie médicale découle directement du sonar. Une onde ultrasonore est émise et subit différentes interactions en traversant le milieu de propagation : réflexion, diffusion et atténuation. Connaissant les lois physiques d’interactions, l’analyse de l’onde réfléchie permet alors de remonter aux propriétés des milieux traversés. Cette section présente les lois physiques de base utilisées en échographie ainsi que les techniques d’exploitation des signaux qui permettent d’obtenir les images de plan de coupe. L’étude approfondie des phénomènes physiques mis en jeu, ainsi que du fonctionnement des échographes actuels sort du cadre de document. Nous nous contentons de présenter ici les éléments indispensables pour comprendre les possibilités et les limites de l’échographie 3D.

Principes physiques [2] 

D’un point de vue physique, l’onde ultrasonore est une onde longitudinale qui correspond à des variations locales de la pression. La propagation en milieu homogène est alors bien connue et les lois sont similaires à celles des ondes optiques. Mais l’objectif est d’étudier le corps humain, qui est pour le moins peu homogène. D’autres phénomènes plus complexes interviennent alors, en particulier la réflexion, la diffusion et l’atténuation.

Principes de l’échographe 

A partir des lois d’interactions entre l’onde et le milieu traversé, il est possible de prédire les modifications que subit l’onde lorsque le milieu est connu. Inversement, si l’on connaît les changements qu’a subis l’onde, il est possible d’en déduire les propriétés du milieu. Les échographes classiques envoient une brève impulsion ultrasonore et analysent les signaux réfléchis. Chaque impulsion permet d’obtenir les informations suivant la direction de propagation et l’image finale est obtenue en combinant une série de lignes. L’étude de la constitution de l’image échographique à partir d’analyses unidimensionnelles apporte également un éclairage intéressant sur le problème du passage de l’image 2D aux données tridimensionnelles.

Mode 1D
Il faut à la fois maîtriser les paramètres de l’impulsion envoyée (forme, fréquence, amplitude, etc.) et pouvoir analyser les signaux réfléchis. Le signal acoustique n’est pas aisé à manipuler, on lui préfère donc un signal électrique. La conversion entre le signal électrique et le signal acoustique est réalisée par un transducteur. Il s’agit d’un élément piézo-électrique qui se déforme sous l’action d’un signal électrique créant ainsi l’onde acoustique. Inversement, lorsque les signaux réfléchis reviennent sur le transducteur, ils le déforment, engendrant ainsi un signal électrique proportionnel à la déformation. Un même transducteur est donc utilisé pour l’émission et la réception des signaux. L’échographe émet une impulsion qui se propage en ligne droite suivant la direction du transducteur : « la ligne de tir ». L’exploitation la plus simple des signaux réfléchis, consiste alors à visualiser l’amplitude du signal réfléchi au cours du temps (mode A (amplitude) fig. 1.1). Dans le corps humain, on considère que la vitesse de propagation est à peu près constante ( C= 1540 m/s). La distance parcourue est ainsi directement proportionnelle au temps écoulé. Un signal d’amplitude élevé reçu après un laps δt provient donc d’une structure située à une distance δ=2 sur la ligne de tir. Il est ainsi possible de mesurer précisément des distances. L’atténuation de l’onde limite la profondeur qu’il est possible d’explorer. On a vu qu’elle dépendait de la fréquence. Typiquement, la profondeur maximale sur une ligne de tir est d’environ 10 à 15 cm pour une onde à 3,5 MHz et 5 cm à 7 MHz.

Le mode A n’est plus tellement utilisé aujourd’hui. Il a été remplacé par le mode B (brillance), qui consiste à coder l’amplitude du signal par une intensité variant selon une échelle de luminance. En effectuant des tirs successifs, on obtient alors le mode TM (Temps Mouvement) qui permet de suivre les mouvements physiologiques (cœur, vaisseaux, etc.) et de mesurer l’amplitude ou la fréquence d’un mouvement.

Mode 2D
Avec un seul transducteur, on ne peut analyser qu’une seule direction à la fois. Pour visualiser un plan de coupe, il faut donc plusieurs lignes de tir qui recouvrent la région que l’on veut observer. Si l’on connaît précisément la position de chaque ligne, il suffit de mémoriser les informations de chaque tir. L’affichage en mode B de toutes les lignes sur une même image fournit alors une reconstruction du plan de coupe. Diverses techniques ont été utilisées pour recueillir les informations sur plusieurs lignes de tirs: balayage manuel, mécanique et électronique.

Balayage manuel
D’un point de vue historique, on a tout d’abord utilisé un bras mécanique sur lequel est fixé le transducteur. L’utilisateur déplace lui-même le transducteur pour acquérir les différentes lignes de tir. Le bras fournit la position du transducteur et l’orientation de la ligne de tir à chaque instant. Il permet également de limiter le mouvement du transducteur dans un seul plan. Durant un examen échographique, il est important de garder un bon contact entre le transducteur et la peau. A l’interface entre l’air et les tissus, 99,9% de l’énergie de l’onde acoustique est réfléchie. S’il y a de l’air entre le transducteur et la peau, il est alors impossible d’explorer suivant la ligne de tir. Comme l’utilisateur déplace lui-même le transducteur, il peut veiller à satisfaire cette contrainte. La durée d’acquisition de l’image dépend du mouvement effectué. Elle est typiquement de plusieurs secondes. L’analyse est donc limitée aux régions où il n’y a pas de mouvement. Compte tenu de la vitesse de propagation de l’onde, le temps d’acquisition d’une ligne de tir est de l’ordre de 100 s. Avec des images d’environ 200 lignes, des taux de plusieurs dizaines d’images par secondes sont donc théoriquement possibles. La vitesse de balayage de l’utilisateur est par conséquent un facteur limitant. Pour cette raison et également à cause de l’encombrement du bras, cette technique n’est plus utilisée.

Balayage mécanique
En automatisant les mouvements automatiques, il est alors possible d’atteindre des vitesses de balayage beaucoup plus élevées. Le temps de formation d’une image complète est de l’ordre du millième de seconde, ce qui permet de visualiser les mouvements des tissus. Pour réaliser le balayage automatiquement, le transducteur est plongé dans un milieu aqueux à l’intérieur de la sonde échographique. Ce milieu facilite le mouvement du transducteur et permet d’adapter l’impédance du transducteur à celle de la peau. Il ne doit cependant pas y avoir d’air entre la surface de la sonde et la peau, ce qui limite la surface de contact. Le balayage sectoriel permet alors de visualiser une région suffisamment large avec une fenêtre acoustique réduite.

Le mode B est le plus couramment utilisé aujourd’hui. L’amplitude des signaux reçus est en effet l’exploitation la plus simple de l’information. Les progrès technologiques rendent cependant possible des analyses plus complexes du signal acoustique. L’analyse fréquentielle permet d’accéder aux informations de flux (image « Doppler » [115]). D’autres techniques apparaissent aujourd’hui, qui tentent d’exploiter différemment l’information recueillie (imagerie harmonique, etc.) [136].

Examen échographique

La visualisation de l’intérieur du corps humain est devenu un outil indispensable pour aider le médecin à établir un diagnostic ou suivre un patient. L’échographie n’est pas la seule modalité, les rayons X, l’imagerie par résonance magnétique ou l’imagerie nucléaire sont fréquemment utilisées. Le choix de la modalité dépend alors des besoins du médecin. Compte tenu de son innocuité, l’échographie est généralement choisie pour l’obstétrique. Elle est aussi couramment utilisée pour la cardiologie, la détection et le suivi de tumeurs, etc. Mais les résultats d’un examen échographique dépendent fortement de l’expérience de l’opérateur. Si l’échographie en mode B présente de nombreux avantages, la subjectivité de l’examen et les limites physiques des ondes ultrasonores limitent encore son utilisation.

L’examen
Les objets étudiés (organes, tumeurs, etc.) possèdent trois dimensions alors que la plupart des échographes ne fournissent qu’une image de plan de coupe. Pour remédier à cette limite, le médecin balaie la zone à étudier avec la sonde. En coordonnant les images échographiques avec la position approximative de la sonde, il peut ainsi reconstruire mentalement les informations tridimensionnelles. Utilisant ses connaissances anatomiques et son expérience, il localise alors plus ou moins précisément la position du plan de coupe par rapport aux différents organes qui se trouvent dans la zone balayée. Le médecin doit donc souvent avoir une idée a priori de ce qu’il veut visualiser. Il doit savoir approximativement où se trouve la structure ou la tumeur recherchée pour être sûr de positionner et orienter correctement la sonde échographique, afin d’obtenir une image utile. Sans ces éléments aprioriques, il risque de ne pas trouver la structure étudiée ou de chercher longtemps le plan de coupe idéal. L’expérience du praticien est donc un facteur important pour l’examen échographique. Une fois localisée la structure cherchée, l’échographe fournit l’image de plans de coupe et permet de relever des mesures de longueurs ou d’aires. Les mesures de volumes sont approchées en faisant quelques hypothèses sur la forme de la structure. On peut ainsi supposer que le ventricule gauche a une forme proche de l’ellipsoïde. A partir de deux plans de coupe perpendiculaires passant par le centre de la cavité, on estime alors les valeurs des demi-axes. Le volume du ventricule est finalement approché par celui de l’ellipsoïde.

Avantages
L’échographie présente trois avantages importants : l’innocuité, la fréquence d’image et le coût de revient. Contrairement aux rayons X ou à l’imagerie nucléaire, les ondes ultrasonores sont totalement inoffensives aux puissances d’utilisation courante (intensité moyenne du faisceau 0,1 mW/mm2 ). Le patient, tout comme le manipulateur, ne prend donc aucun risque et on peut renouveler l’examen autant de fois que nécessaire. C’est pourquoi l’échographie est utilisée en routine pour le suivi des grossesses. De plus, mis à part les techniques intravasculaires ou intracavitaires, l’examen est souvent complètement externe. Les images échographiques sont obtenues en temps réel. Le médecin peut donc suivre les mouvements des organes, pour détecter d’éventuels défauts cardiaques par exemple. Enfin, les considérations financières interviennent de plus en plus dans la pratique médicale. L’échographie est une technique particulièrement économique par rapport aux autres modalités, aussi bien en ce qui concerne le coût d’un appareil que celui d’un examen. De plus l’appareil est très léger et peut être déplacé au gré des besoins.

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Table des matières

Introduction
I Présentation du problème
1 Echographie 3D : techniques et applications
1.1 Techniques échographiques
1.1.1 Principes physiques
1.1.2 Principes de l’échographe
1.2 Examen échographique
1.2.1 L’examen
1.2.2 Limites
1.3 Acquisition des données échographiques 3D
1.3.1 Balayage manuel
1.3.2 Balayage mécanique
1.3.3 Tableaux de transducteurs
1.3.4 Autres
1.4 Applications médicales
1.4.1 Obstétrique
1.4.2 Cardiologie
1.4.3 Autres applications
1.5 Bilan
1.5.1 Gain par rapport au 2D
1.5.2 Comparaison avec les autres modalités
1.5.3 Conclusion
2 Modélisation de l’acquisition
2.1 Notre système d’acquisition
2.2 Le cadre mathématique
2.3 Hypothèses
2.3.1 Localisation
2.3.2 Image bidimensionnelle
2.3.3 Mouvements du corps
2.3.4 Position de la sonde
2.3.5 Synchronisation avec le système de repérage
2.3.6 Déformations
2.4 Conclusion
Bibliographie
II Repérage
3 Le bras mécanique
3.1 Description du bras
3.2 Modélisation mathématique
3.3 Calibrage du bras
3.4 Calibrage du repère de l’image
3.5 Précision
3.6 Conclusion
4 Le capteur électromagnétique
4.1 Calibrage image/récepteur
4.2 Estimation de l’influence de l’environnement
4.3 Précision du repérage
4.4 Conclusion
Bibliographie
III Exploitation des données
5 Approximation de la fonction échantillonnée
5.1 Qualité de l’approximation
5.2 Choix d’une représentation de la fonction
5.2.1 Maillage
5.3 Algorithmes
5.4 Conclusion
6 Visualisation des données
6.1 Situation actuelle
6.1.1 Plan de coupe
6.1.2 Surface
6.1.3 Rendu de volume
6.1.4 Analyse
6.2 Méthode
6.2.1 Exemples
6.2.2 Améliorations
6.3 Interface
6.4 Conclusion
7 Vers une segmentation automatique de la carotide
7.1 Introduction
7.2 Deux méthodes
7.2.1 Préliminaires : cylindre généralisé
7.2.2 Méthode 1 : segmentation par coupes
7.2.3 Méthode 2 : cylindre déformable
7.3 Résultats et discussion
7.3.1 Paramètres d’initialisation
7.3.2 Améliorations
7.4 Conclusion
8 Visualisation du fœtus : une approche semi-automatique
8.1 Introduction
8.2 Méthode
8.3 Résultats
8.4 Conclusion
Conclusion

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