En mode d’imagerie passive, la sonde ultrasonore ne fait que recevoir les vibrations acoustiques provenant du milieu observé pour ensuite les convertir en signaux électriques, les amplifier et enfin les transposer en images par la formation de voie. Ce mode d’imagerie en « écoute passive » est utilisé en photo-acoustique (Ningning 2014) et en sismologie (Gazdag and Sguazzero 1984). En échographie les transducteurs sont utilisés pour recevoir mais aussi pour émettre des ondes acoustiques.
En imagerie multiéléments, le front d’onde qui définit la forme du faisceau acoustique émis est contrôlée en ajustant les poids ݓ et les retards ߬ individuels appliqués aux éléments (Figure 8). Les principales stratégies de transmission sont représentées sur la Figure 8 : les ondes focalisées, les ondes divergentes et les ondes planes (Kruizinga et al. 2012; Montaldo et al. 2009).
Le dépointage du faisceau en transmission consiste à orienter la direction du front d’onde dans la direction ߠୱ୲ୣୣ୰en ajustant les retards individuels ߬ (Figure 8 et Figure 9). Cette technique est habituellement utilisée pour balayer le milieu observé avec des ondes focalisées en émission. Cependant le dépointage du faisceau peut également être utilisé pour changer l’angle d’incidence des ondes planes (Montaldo et al. 2009; Tanter et al. 2002; Jespersen, Wilhjelm, and Sillesen 1998) ou des ondes divergentes (Jean Provost et al. 2014; Papadacci et al. 2014; Hasegawa and Kanai 2011). Cette technique permet d’améliorer le contraste et la résolution des images effectuant plusieurs émissions selon plusieurs angles de dépointage et en les combinant ensemble.
La pondération des éléments actifs à l’aide de fenêtres d’apodisation peut être utilisée pour contrôler la taille et la forme de la tâche focale (cas des ondes focalisées) ainsi que réduire les artefacts tels que la hauteur des lobes latéraux. Le but étant d’obtenir une tâche focale la plus fine possible tout en réduisant la quantité d’énergie acoustique située hors de cette tâche focale. La fenêtre d’apodisation modifie la forme du diagramme de rayonnement acoustique (BP) des éléments actifs.
Figure 57 Illustration des principales stratégies de transmission. Les ondes focalisées (haut-gauche) qui convergent vers un point focal. Les ondes divergentes (haut-droite) propagent une onde crée par une source virtuelle localisée derrière le transducteur. Un front d’onde plan est obtenu en fixant le même retard pour tous les éléments actifs (bas-gauche). Les ondes planes peuvent s’obtenir en définissant un point focal localisé à l’infini. Le dépointage du faisceau (bas-droite) correspond à l’orientation du front d’onde dans la direction ߠୱ୲ୣୣ୰ en ajustant les
retards ߬.
En phase d’émission, les ondes générées par l’ensemble des transducteurs de la sonde se propagent dans le milieu et le champ de pression (PF) correspond à la distribution de la pression dans le milieu. Plus précisément, le champ de pression ሺܴǡ ߠǡ ߶ǡ ݐሻ= ሺ࢘ǡ ݐሻ en ሾǤ ିଵǤ ିଶሿ ou en ሾሿ ൌ ሾ ሿ est l’évolution de la différence de pression avec la pression d’équilibre ሺܴǡ ߠǡ ߶ǡ ݐሻ en tout point de mesure ሺܴǡ ߠǡ ߶ሻ. Il existe plusieurs logiciels36
de simulations acoustiques dédiés aux simulations d’ondes ultrasonores. Certains sont plus ou moins réalistes en fonction du modèle acoustique sur lequel ils reposent. Dans ce travail il a été choisi de travailler avec le logiciel FIELD II (Jensen and Svendsen 1992; Jensen 1996) développé à la Danmarks Tekniske Universitet. Ce logiciel permet de réaliser des simulations réalistes car la dimension temporelle et la réponse impulsionnelle spatiale de chaque élément actif sont prises en compte : en d’autre termes, le signal transmis possède une bande passante réaliste et le champ de pression généré par un élément actif dépend de sa forme, de son orientation et de sa taille. Ce simulateur (ainsi que DREAM (Piwakowski and Sbai 1999)) est basé sur le papier de (Stepanishen 1971) où le champ de pression est calculé à partir du principe d’Huygens-Fresnel. Le PF généré par une surface active ܣ se calcule comme l’intégration des contributions en ondes sphériques rayonnées par chaque élément infinitésimal de surface ݀ܣ localisé en ࢘ࢊ:
ሺܴǡ ߠǡ ߶ǡ ݐሻ ൌ ሺ࢘ǡ ݐሻ ൌ ߩ න ͳ ʹߨȁ࢘ െ ࢘ࢊȁ
߲ݒሺݐ െ ȁ࢘ െ ࢘ࢊȁ ܿΤ ሻ ߲ݐ
݀ܣ (82)
avec ߩ la densité du milieu ሾǤ ିଷሿ et ݒ la vitesse normale ሾǤ ିଵሿ de la surface ݀ܣ en train d’émettre.
La qualité du rayonnement acoustique d’un groupe d’éléments actifs est évaluée sur le diagramme de rayonnement (BP) qui représente la distribution angulaire de l’énergie acoustique transmise par l’ouverture. La procédure de calcul du BP à partir du champ de pression (PF) est illustrée sur la Figure 10: tout d’abord le PF est mesuré autour de la sonde par des points de mesure de pression (PMP), ensuite le maximum de signal mesuré au cours du temps par chaque PMP est normalisé puis log-compressé pour enfin être tracé en fonction de l’angle ߠ du PMP associé.
Un BP idéal en ondes focalisées (cas traité dans ce travail) serait un Dirac d’énergie dans la direction de propagation du front d’onde (Figure 11). Mais en pratique il y a des lobes latéraux et le lobe principal possède une certaine largeur. Cette dernière propriété a un impact sur la résolution des images alors que les lobes latéraux impactent sur le contraste des images. Avec un groupe d’éléments actifs il y a un compromis entre l’extraction de l’information disponible avec meilleure résolution (mesurée par exemple comme la largeur du lobe principal à – 6 dB, FWHM) ou meilleur contraste (mesuré par exemple comme le niveau des lobes secondaires -SLL- ou des lobes de réseau -GLL).
36 FIELD II: http://field-ii.dk/
FOCUS: http://www.egr.msu.edu/~fultras-web/
Abersim©: http://www.ntnu.edu/isb/ultrasound/abersim/download
Ultrasim: http://www.mn.uio.no/ifi/english/research/groups/dsb/resources/software/ultrasim/
DREAM: http://www.signal.uu.se/Toolbox/dream/
Figure 59 Illustration du calcul du diagramme de rayonnement acoustique (BP) à partir du champ de pression (PF) mesuré en plusieurs points de mesure de pression (PMP).
Figure 60 Illustration du compromis entre le niveau des lobes latéraux et la largeur de lobe principal sur le BP.
La méthode de reconstruction d’images conventionnelles dite des retards et sommes (DAS) est détaillée sur la Figure 12. Les délais individuels ߬ sont appliqués aux signaux radiofréquence (RF) bruts pour compenser les différences de temps de vol (durée de la propagation) entre la zone reconstruite et les éléments actifs. Ensuite ces signaux sont sommés entre eux (avec la pondération des coefficients ݓ) pour former les « lignes » de l’image RF (ce sont plutôt les colonnes sur la Figure 12). L’enveloppe de l’image RF est ensuite détectée puis log-compressée pour obtenir l’image mode B. Il est possible d’observer l’impact du BP (à double sens car effectif une fois en TX et une autre fois en RX) sur le profil d’une image B-mode d’un diffuseur ponctuel (Figure 12, droite). La tâche du diffuseur n’est pas un simple point à cause de la largeur du lobe principal et des lobes latéraux du BP. En effet, les régions proches du diffuseur n’apparaissent pas vides car elles sont affectées par
Figure 61 Illustration de la méthode de reconstruction d’image par « retards et sommes » (DAS) afin de produire des images mode B à partir des échos reçus des diffuseurs présents dans le milieu observé.