Le contexte de l’imagerie ultrasonore 3D a été présenté, en commençant par les principes physiques sur lesquels l’imagerie ultrasonore est basée, et jusqu’aux solutions techniques actuelles (et leurs limites) proposées par les laboratoires de recherche académique les plus actifs et les solutions déjà commercialisées proposant des échographes 3D temps-réel.
Une première section est dédiée à l’explication de comment les ondes acoustiques sont générées à partir de la matière grâce à la capacité de transduction électroacoustique des matériaux piézoélectriques. Il a ensuite été décrit comment les ondes ultrasonores sont utilisées dans le cadre médical en se concentrant sur les stratégies d’émission et le principe de reconstruction des images à partir des échos reçu du milieu observé. Il a été détaillé comment un groupe de transducteur produit un champ de pression auquel peut être associé un diagramme de rayonnement acoustique (BP). La relation entre la qualité des images reconstruites et la forme du BP a été illustrée en présentant les bases de la reconstruction d’images échographiques. Les difficultés rencontrées pour réaliser des images 3D temps-réel ont été exposées. Les sondes ultrasonores matricielles 2D existantes utilisant le principe de balayage électronique ont été examinées. La définition des sondes 2D parcimonieuses, en réduisant considérablement le nombre d’éléments actifs, a été présentée comme une solution pour réaliser de l’imagerie ultrasonore 3D en conservant la pleine flexibilité d’une configuration où un élément actif de la sonde est relié en continu à un canal de l’échographe. Le besoin d’intégration des simulations acoustiques large bande, dans le cadre de la définition des sondes 2D parcimonieuses, a été mis en évidence à partir de l’étude de la littérature.
La première contribution de cette thèse est l’intégration de simulations acoustiques large bande dans un cadre général d’optimisation des sondes 2D parcimonieuses. Deux techniques d’accélération ont été implémentées pour atteindre une vitesse de calcul suffisante du champ de pression pour pouvoir être intégré dans un processus d’optimisation dont la durée soit raisonnable (entre quelques jours et quelques semaines). La première technique consiste à réduire le nombre de point de mesure du champ de pression nécessaires pour évaluer le diagramme de rayonnement de la sonde. La deuxième technique consiste en une mise à jour ergonomique des valeurs du champ de pression lorsqu’un seul élément de la sonde est perturbé. Les avantages suivants qui en résultent ont été étudiés : le facteur d’accélération de l’implémentation, la réduction du nombre de dimensions nécessaires à la représentation du diagramme de rayonnement acoustique, les nouveaux degrés de liberté (taille, forme, orientation, signal d’excitation, réponse impulsionnelle) disponibles et une meilleure capacité de distinction des sondes. Un autre avantage de l’intégration de simulations large bande est qu’au cours de l’optimisation les configurations se comportent comme si elles étaient physiquement testées. Un cadre général d’optimisation des sondes 2D parcimonieuses a été introduit sur la base de l’algorithme de recuit simulé dont les composantes (espace d’état, fonction d’énergie, mécanisme de communication) sont décrites dans le contexte de la définition de sondes ultrasonores. Les limitations et les possibles améliorations de la présente implémentation ont été discutées.
La deuxième contribution de cette thèse est l’introduction de fonction d’énergie multi-profondeur, qui représente une étape vers l’optimisation du champ de pression en 3D dans le cadre de l’optimisation de sondes parcimonieuses non-régulières. Dans cette deuxième étude, les rayonnements acoustiques (BP) de seize sondes parcimonieuses de 256 éléments ont été optimisés. L’exploration des solutions s’est déroulée en déplaçant les éléments de façon arbitraire pour optimiser leur position au sens des trois fonctions d’énergie proposées. Une des fonctions d’énergies forme le lobe principal du BP en le « sculptant » avec un masque de contraintes. En particulier, les fonctions d’énergie vérifient la qualité du diagramme de rayonnement en plusieurs profondeurs de manière à mieux contrôler le comportement du champ de pression avant et après la profondeur focale. Dans cette étude le BP était évalué à 15 mm, 25 mm (profondeur focale) et 35 mm et le processus d’optimisation avait pour objectif d’obtenir la même largeur de lobe principal et d’abaisser les lobes latéraux comme dans le cas d’une sonde spirale prise comme référence. Les performances des configurations obtenues ont été évaluées sur leurs rayonnements acoustiques 3D. Une des configurations optimisées a fourni des performances légèrement meilleures que celles de la sonde spirale qui est prise comme référence. L’utilisation d’un masque sculptant le lobe principal du BP (de manière identique selon tous les angles ߶) à plusieurs profondeurs semblent générer des solutions à symétrie circulaire même si aucune contrainte de symétrie n’est imposée. L’apparition de cette symétrie circulaire a été discutée ainsi que la possibilité d’intégrer de nouveaux degrés de liberté et de nouvelles contraintes.
La troisième contribution de cette thèse est l’étude de l’optimisation de sonde 2D parcimonieuses régulière où sont exposées les lignes directrices pour intégrer des contraintes de fabrication dans la cadre général d’une optimisation du diagramme de rayonnement (BP) large bande. La problématique traitée est celle de trouver la meilleure configuration d’un nombre d’élément fixé à activer parmi ceux d’une sonde matricielle 2D. Cette question a été traitée dans les cas où 128, 192 et 256 éléments étaient choisis parmi une sonde de 32x32 éléments. Dans cette étude également la fonction d’énergie avait pour objectif de sculpter la forme du BP à plusieurs profondeurs. De plus, une interface utilisateur a été développée pour aider à la définition du masque sculptant utilisé dans la fonction d’énergie. Les résultats obtenus ont été comparés en termes de largeur du lobe principal à – 6dB et à – 20 dB, en termes de niveau de lobes latéraux (SLL) et de niveau moyen de ces lobes (ୟ୴ୣ) calculés sur les BP multi-profondeur. Tout comme dans le chapitre précédent, une analyse des performances a été réalisée sur les BP 3D. Pour évaluer la capacité des sondes obtenues à produire des images ultrasonores de qualité, des images 3D (coupe XZ et YZ) d’un fantôme de résolution et d’un fantôme de contraste ont été simulées. La robustesse des optimisations par rapport à l’état initial a été validée avec la comparaison des résultats de dix expériences identiques démarrant avec une sonde initiale différente à chaque fois. Une sonde aléatoire a également été obtenue. Sa comparaison avec les sondes optimales a permis de mettre en évidence le rôle précieux que joue l’évolution de la température dans l’optimisation. Enfin l’intégration de contraintes de fabrication dans le processus d’optimisation enrichie la conception théorique des sondes ultrasonores : pour une application donnée, cela constitue un nouvel outil disponible pour les fabricants de sondes pour choisir parmi plusieurs solutions technologiques.
Une discussion générale a permis d’aborder les limites du schéma d’optimisation général proposé et ses exigences en termes de calcul. Mais ce fut aussi une opportunité pour suggérer les extensions potentielles de cette thèse. Enfin cette discussion contient une tentative de replacer l’état du travail présent-é dans une perspective fascinante d’une étude dynamique avec l’espoir de ne pas être
restreinte à la conception des sondes ultrasonores 2D parcimonieuses. L’imagerie médicale, et l’imagerie ultrasonore en particulier, ont changé la manière de pratiquer la médecine depuis 50-60 ans. En retour, les médecins ont influencé quelles informations devaient être extraites et la façon de les présenter (ce qui qui est également vrai pour l’échographie 3D). Malheureusement, les interactions entre les médecins et les ingénieurs sont typiquement trop peu fréquentes et constructives comme elles devraient l’être. Cependant, lorsqu’une heureuse rencontre se produit, il est fort probable qu’émerge à la fois des innovations technologiques de pointes et des pratiques de santé efficaces. Il semble que pour la transdisciplinarité (Nicolescu 2016; Nicolescu 2008), un état métastable soit nécessaire, caractérisé par l’acceptation d’une « perturbation » partielle (variation positive d’énergie, effort ?) de la part des deux disciplines. De formidables progrès peuvent arriver d’un processus transductif two-way. En l’absence d’une zone obscure centrale (Simondon 2005) incluse au milieu, ils ne pourraient pas être inventés car chaque environnement resterait fermé sur lui-même et stable. Quelques rares personnes peuvent incarner ce « tiers inclus » quand ils ont courageusement réalisé à la fois des études d’ingénierie et de médecine.