Quantitative ultrasound techniques to characterize soft tissue anisotropy
Techniques quantitatives ultrasonores pour caracte ́riser l’anisotropie des tissus mous
Résumé
Quantitative ultrasound techniques to characterize soft tissue anisotropy
Quantitative ultrasound (QUS) techniques based on the parameterization of the backscatter coefficient (BSC) generllly 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 Monodis- perse 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 interelement 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).
Les techniques quantitatives ultrasonores pour l’estimation des microstructures tissulaires supposent ge ́ne ́ralement que le tissu e ́tudie ́ est homoge`ne et isotrope. Cependant, certains tissus biologiques comme le sang, le myocarde ou le biceps pre ́sentent des proprie ́te ́s acoustiques de ́pendants de l’angle d’incidence (coefficient de re ́trodiffusion BSC et/ou atte ́nuation). L’objectif de cette the ́se est de prendre en compte l’anisotropie des microstructures tissulaires pour l’analyse de la re ́trodiffusion ultrasonore afin de mode ́liser la diffusion par des agre ́gats de globules rouges, et de de ́velopper des strate ́gies expe ́rimentales afin de mesurer l’anisotropie tissulaire.
Dans la premie`re partie de ce travail, un mode`le de re ́trodiffusion est propose ́ et e ́value ́ nume ́riquement pour caracte ́riser la microstructure anisotrope des agre ́gats de globules rouges. Dans le domaine de la caracte ́risation ul- trasonore de l’agre ́gation e ́rythrocytaire, les the ́ories de diffusion utilise ́es (The ́orie de Milieu Effectif combine ́e a` un Mode`le de Facteur de Structure - TMEMFS, ou a` l’Approximation Locale Monodisperse - TMEALM) supposent des agre ́gats sphe ́riques, alors que les globules rouges ont tendance a` former des rouleaux anisotropes pour du sang hu- main normal. La prise en compte de l’anisotropie pourrait permettre d’ame ́liorer la sensibilite ́ et la spe ́cificite ́ des tech- niques d’estimation de structures des agre ́gats de globules rouges. La formulation the ́orique anisotrope du TMEALM est de ́veloppe ́e et compare ́e a` des simulations nume ́riques de diffusion par des agre ́gats dans le cadre d’une e ́tude du proble`me direct (i.e., les BSCs the ́oriques et simule ́s sont de ́termine ́s a` partir des proprie ́te ́s de structures connues des agre ́gats de globules rouges). Les simulations ont e ́te ́ re ́alise ́es a` partir de configurations d’agre ́gation simples (agre ́gats sphe ́riques polydisperses), de configurations mode ́re ́es (agre ́gats sous forme d’ellipso ̈ıdes aligne ́es ou oriente ́es de fac ̧on ale ́atoire) jusqu’a` des configurations complexes plus re ́alistes. Les configurations d’agre ́gation complexes correspondent aux distributions de taille et d’orientation d’agre ́gats obtenues a` partir de mesures optiques sur du sang cisaille ́ sous e ́coulement controˆle ́. Ensuite, les mode`les TMEALM isotrope et anisotrope sont compare ́s dans le cadre d’une e ́tude du proble`me inverse pour estimer les parame`tres de structures des agre ́gats a` partir des BSCs simule ́s. La capacite ́ des mode`les TMEALM a` estimer la distribution de tailles des agre ́gats est discute ́e.
Dans la deuxie`me partie de ce travail, une strate ́gie expe ́rimentale est e ́value ́e pour mesurer l’anisotropie de fantoˆmes de tissus biologiques en utilisant une sonde a` transducteurs capacitifs micro-usine ́s (CMUT) ou une sonde pie ́zoe ́lectrique commerciale. La proce ́dure expe ́rimentale consiste a` utiliser un syste`me d’imagerie par ultrasons avec une sonde line ́aire pour e ́mettre un faisceau oriente ́ et focalise ́ sur un milieu e ́tudie ́, et a` collecter les signaux re ́trodiffuse ́s pour diffe ́rents angles d’incidence. Ces signaux re ́trodiffuse ́s sont ensuite traite ́s afin de mesurer les BSCs. Cependant, la performance de la sonde est affecte ́e par la directivite ́ des e ́le ́ments (conception du re ́seau) et la diaphonie (technolo- gie des transducteurs), ce qui impose un angle maximal pour lequel le BSC peut eˆtre mesure ́, inde ́pendamment de la strate ́gie d’imagerie utilise ́e. Une comparaison expe ́rimentale des performances des sondes CMUT et pie ́zoe ́lectrique est effectue ́e afin de mesurer les BSCs sur des fantoˆmes de tissus biologiques isotrope et anisotrope. Tout d’abord, la pre ́cision de l’orientation du faisceau est e ́value ́e par des mesures bidimensionnelles de la forme du faisceau transmis a` l’aide d’un hydrophone. Les mesures de BSCs sont ensuite effectue ́es in vitro en utilisant la me ́thode du fantoˆme de re ́fe ́rence. Les re ́sultats montrent que la sonde CMUT (avec une diaphonie re ́duite) est capable d’orienter le faisceau et de mesurer le BSC dans une plage angulaire d’environ ±15o (contre ±5o pour la sonde pie ́zoe ́lectrique).
Le tecniche a ultrasuoni quantitative (QUS) basate sulla parametrizzazione del coefficiente di backscattering (BSC) presuppongono generalmente che il tessuto in esame sia omogeneo e isotropo. Tuttavia, alcuni tessuti come gli aggregati di globuli rossi, il miocardio o i muscoli del bicipite presentano proprieta` acustiche, quali il BSC e/o il coefficiente di attenuazione, variabili a seconda della direzione. Pertanto, la considerazione dell’anisotropia dei tessuti puo` fornire una parametrizzazione piu` significativa del BSC. L’obiettivo di questa tesi e` di sviluppare tecniche di analisi quantitativa del backscattering estese ai tessuti anisotropi al fine di modellare la retrodiffusione dovuta all’aggregazione di globuli rossi e di sviluppare strategie sperimentali per misurare l’anisotropia tissutale.
Nella prima parte di questa tesi e` stato sviluppato un modello di backscattering ad ultrasuoni per caratterizzare le strutture anisotrope di aggregati di globuli rossi. Infatti, i modelli di scattering attualmente utilizzati nel campo della caratterizzazione a ultrasuoni quantitativa del sangue (Effective Medium Theory in combinazione con il modello Structure Factor Model-EMTSFM o il Local Monodisperse Approximation-EMTLMA) si basano sull’assunzione di sfericita` degli aggregati, mentre il sangue umano e` normalmente costituito da strutture lineari di globuli rossi piu` o meno impilati. Pertanto, la considerazione dell’anisotropia degli aggregati di globuli rossi potrebbe migliorare la sensibilita` e la specificita` delle tecniche a ultrasuoni quantitative nella stima dei parametri strutturali degli aggregati stessi. In questo lavoro di tesi, la formulazione teorica anisotropa dell’EMTLMA e` stata sviluppata e confrontata con simulazioni numeriche del BSC tridimensionale nell’ambito di uno studio del problema diretto (cioe`, i BSC teorici sono determi- nati in base a proprieta` strutturali degli aggregati note). Sono state condotte simulazioni di semplici configurazioni di aggregazione (aggregati sferici polidispersi), di configurazioni moderate (aggregati di forma allungata orientati in modo casuale o perfettamente allineati) e di configurazioni realistiche complesse. Le configurazioni di aggregazione realistiche considerate nelle simulazioni corrispondono a dimensioni e distribuzioni di orientamento degli aggregati di globuli rossi ottenuti da misurazioni ottiche di sangue in condizioni di flusso di shear controllato. Successivamente, i modelli EMTLMA isotropi e anisotropi sono stati confrontati nell’ambito di uno studio del problema inverso per sti- mare alla cieca i parametri strutturali degli aggregati a partire dai valori di BSC simulati. E` stata infine discussa la bonta` dei modelli EMTLMA come mezzo per determinare la distribuzione dimensionale degli aggregati.
Nella seconda parte di questa tesi e` stata messa a punto una procedura sperimentale per misurare il BSC in mezzi anisotropi di phantom ecografici realizzati con materiali di simulazione tissutale utilizzando una sonda piezoelettrica commerciale e un prototipo di trasduttore a ultrasuoni capacitivo microfabbricato su silicio (CMUT). La procedura sperimentale ha previsto l’utilizzo di un sistema di scansione ad ultrasuoni e di una sonda ecografica lineare per la trasmissione di fasci focalizzati nel mezzo di interesse e per la ricezione dei segnali retrodiffusi lungo diverse direzioni angolari. I segnali retrodiffusi acquisiti sono stati poi elaborati per stimare il BSC. Poiche ́ le prestazioni della sonda sono influenzate dalla direttivita` del singolo elemento trasduttore, dipendente dalle caratteristiche geometriche dell’array, e dall’accoppiamento inter-elemento (cross-talk), dipendente dalla tecnologia del trasduttore, vi e` un angolo massimo in corrispondenza del quale il BSC puo` essere misurato, qualsiasi sia la strategia utilizzata nella formazione dell’immagine (per scansione di fascio focalizzato o per onde piane). Pertanto, e` stato effettuato un confronto delle prestazioni di una sonda piezoelettrica e di una sonda CMUT per misurare il backscattering anisotropo utilizzando la strategia di for- mazione dell’immagine per scansione di fascio focalizzato. In primo luogo, la capacita` di deflessione (steering) del fascio delle due sonde e` stata valutata mediante caratterizzazione acustica del fascio trasmesso. Successivamente, sono state effettuate misure in vitro del BSC in phantom ecografici isotropi e anisotropi utilizzando il Reference Phantom Method. I risultati hanno dimostrato che la sonda CMUT, caratterizzata da una cross-talk inter elemento minore, e` in grado di deflettere il fascio - e quindi di misurare il BSC - in un intervallo angolare fino a ±15o (contro ±5o per la sonda piezoelettrica).
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)