Utilisation des ondes de cisaillement ultrasonores pour l'imagerie d'élasticité des tissus biologiques
Application of shear wave propagation to elasticity imaging of biological tissues
OPEN ACCESS
Dynamic elastography using ultrasound radiation force is an imaging technique of biological tissues elastic properties. In a mechanical point of view, biological tissues are supposed isotropic, so their properties are independent of the reference axis. In these mediums, the tensor of elastic constants can be expressed as a function of two independent constants: the elastic bulk modulus K (which is linked to the compression wave propagation ) and the elastic shear modulus µ (which is linked to the shear wave propagation). The development of some cancers can result in weak variations of the bulk elastic modulus, but can considerably modify the shear elastic modulus. Measurement of m can then help for the diagnosis of this type of tissue pathology. A judicious mean to measure this parameter is the use of a non-linear effect called ultrasound radiation force. This force is proportional to the attenuation and the intensity of the ultrasound beam emitted by the imaging system. This stress source essentially generates a shear wave that propagates with a velocity proportional to the shear modulus and with a purely transverse polarisation in the far-field (far from the stress source). Measurement of the medium displacements induced by shear wave propagation can allow to calculate the shear modulus of the medium (inverse problem resolution). We performed these measurements from the radio-frequency (RF) lines obtained with an imaging ultrasound transducer. This work describes precisely the signal processing realized on the RF lines. This processing is based on the use of a delay estimation method to measure temporal delays between RF lines during the shear wave propagation. Influence of different parameters (length of the analyse window, Signal to Noise Ratio of RF lines, sampling frequency, ultrasound transducer characteristics...) on the measurement precision has been studied. We present displacement curves as a function of time obtained after optimisation of processing parameters. Experimental results have been favourably compared to a physical model and allowed us to calculate the shear modulus of the medium.
Résumé
L'élastographie dynamique par force de radiation ultrasonore est une technique d'imagerie des propriétés élastiques des tissus biologiques. D'un point de vue mécanique, nous supposons que ces milieux sont isotropes c'est-à-dire que leurs propriétés sont indépendantes du choix des axes de référence. Le tenseur élastique qui définit les constantes physiques de ce milieu s'exprime en fonction de deux constantes indépendantes, le module d'élasticité volumique K (qui intervient lors de la propagation des ondes de compression), et le module d'élasticité de cisaillement µ (qui intervient lors de la propagation des ondes de cisaillement). L'apparition de certains type de cancers entraîne de faibles variations du module d'élasticité volumique K, mais peut modifier considérablement le module d'élasticité de cisaillement µ. La mesure de ce paramètre µ peut ainsi aider au diagnostic de ce type de pathologie des tissus. Un moyen judicieux de mesurer ce paramètre est d'utiliser un effet non linéaire de force de radiation ultrasonore. Cette force est proportionnelle à l'atténuation et à l'intensité des ultrasons émis dans le tissu par le système d'imagerie. Cette source de contrainte génère principalement une onde de cisaillement qui se propage avec une vitesse de phase proportionnelle au module de cisaillement et une polarisation purement transversale en champ lointain (loin de la source de contrainte). La mesure des déplacements du milieu, induits par la propagation de cette onde, peut permettre par résolution du problème inverse de remonter au module de cisaillement. Nous avons réalisé ces mesures à partir des lignes radiofréquences (RF) obtenues par un transducteur d'imagerie ultrasonore. Ce travail décrit précisément le traitement que nous avons réalisé sur les lignes RF. Ce traitement est basé sur l'utilisation d'une méthode d'estimation des retards temporels entre les lignes radiofréquences obtenues pendant la propagation de l'onde de cisaillement. L'influence de différents paramètres (taille de la fenêtre glissante d'analyse, rapport signal sur bruit des lignes RF, fréquence d'échantillonnage, caractéristiques du transducteur ultrasonore...) sur la précision de mesure des déplacements a été étudiée. Nous présentons les courbes des déplacements en fonction du temps obtenus après optimisation des paramètres de traitement. Ces résultats expérimentaux ont été favorablement comparés à un modèle physique et nous ont permis de remonter au module de cisaillement du milieu.
Dynamic elastography, ultrasound radiation force, shear wave, delay estimation
Mots clés
Élastographie dynamique, force de radiation ultrasonore, onde de cisaillement, estimation des retards
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