Soutenance de thèse de LENIN CHINCHILLA

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).

Quantitative ultrasound (QUS) techniques based on the parameterization of the backscatter coefficient (BSC) generally assume that the tissue under investigation is homogeneous and isotropic. However, some tissues such as flowing red blood cell (RBC) aggregates, myocardium or bicep muscles exhibit angle-dependent acoustic properties (BSC and/or attenuation coefficient). Therefore, the consideration of tissue anisotropy may provide a more meaningful parameterization of the BSC. The objective of this thesis is to incorporate anisotropy in tissue backscatter analysis for modeling backscattering by aggregating RBCs, and for developing experimental strategies to measure tissue anisotropy. In the first part of this work, an ultrasonic backscattering model is proposed and evaluated numerically to characterize the anisotropic structures of RBC aggregates. In the field of QUS blood characterization, the scattering theories currently used (Effective Medium Theory combined with the Structure Factor model-EMTSFM, or the Local Monodisperse Approximation-EMTLMA) assume spherical aggregates, whereas normal human blood consists of linear stacks of RBCs. Therefore, considering the anisotropy of the aggregates could improve the sensitivity and specificity of QUS techniques in estimating structural parameters of the RBC aggregates. The anisotropic theoretical formulation of the EMTLMA is developed and compared with 3D computer simulations of BSCs in the framework of a forward problem study (i.e., the theoretical BSCs were determined from known structural properties of RBC aggregates). The simulations were conducted from simple aggregation configurations (polydisperse spherical aggregates), moderate configurations (randomly oriented or perfectly aligned prolate-shaped aggregates) up to complex realistic configurations. The realistic aggregation configurations correspond to the size and orientation distributions of aggregated RBCs obtained from optical measurements of sheared blood in controlled flow conditions. Then, the isotropic and anisotropic EMTLMA models are compared in the inverse problem framework to estimate blindly the structural parameters of RBC aggregates from the simulated BSCs. The ability of the EMTLMA models as means of determining the aggregate size distribution is discussed. In the second part of this work, an experimental procedure was evaluated to measure ultrasonic backscatter anisotropy in tissue-mimicking phantoms using a commercial piezoelectric probe and a prototype Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) probe. The experimental procedure consists of using an ultrasound imaging system with a linear probe to transmit a focused beam on an investigated medium and collect the backscattered signals at different beam directions. These backscattered signals are then processed to measure the BSCs. However, the performance of the probe is affected by the element directivity (array design) and cross-talk (transducer technology), which imposes a maximal angle to which the BSC can be measured, independently of the imaging strategy used, either the focused beam steering or the plane wave imaging. Therefore, a performance comparison is carried out between the piezoelectric and the CMUT probes to measure backscatter anisotropy by using the focused beam steering imaging strategy. First, the steering ability of the two probes is evaluated by means of 2D measurements of the transmitted beam pattern. Then, in vitro measurements of the BSCs are performed by using the reference phantom method on isotropic and anisotropic tissue-mimicking phantoms. The results demonstrate that the CMUT probe, which is characterized by a lower inter-element crosstalk, is able to perform beam steering and to measure the BSC in an angular range up to ±15° (against ±5° for the piezoelectric probe). Keywords: Red blood cell aggregates, anisotropy, quantitative ultrasound, backscatter coefficient, ultrasound imaging probe, CMUT