Elastographie impulsionnelle quantitative : caractérisation des propriétés viscoélastiques des tissus et application à la mesure de contact.

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Elastographie impulsionnelle quantitative :

caractérisation des propriétés viscoélastiques des tissus

et application à la mesure de contact.

Cécile Bastard

To cite this version:

Cécile Bastard. Elastographie impulsionnelle quantitative : caractérisation des propriétés

viscoélas-tiques des tissus et application à la mesure de contact.. Ingénierie biomédicale. Université François

Rabelais de Tours, 2009. Français. �tel-01143927�

UNIVERSIT´

E

FRAN ¸

COIS RABELAIS

DE TOURS

´

Ecole Doctorale Sant´

e, Sciences et Technologies

´

EQUIPE de RECHERCHE :

Unit´

e Mixte de Recherche

Inserm U930 - CNRS ERL3106 - Universit´

e Fran¸

cois Rabelais de Tours

« Imagerie et Cerveau »

TH`

ESE

pr´

esent´

ee par :

C´

ecile Morgane BASTARD

soutenue le : 18 D´

ecembre 2009

pour obtenir le grade de : Docteur de l’Universit´

e Fran¸

cois Rabelais

Discipline / Sp´

ecialit´

e : Sciences de la Vie et de la Sant´

e / Acoustique

Elastographie impulsionnelle quantitative :

caract´

erisation des propri´

et´

es visco´

elastiques des tissus et

application `

a la mesure de contact

TH `

ESE dirig´

ee par :

REMENIERAS Jean-Pierre

Ing´

enieur de Recherche, Docteur, Universit´

e de Tours

RAPPORTEURS :

BASSET Olivier

Professeur, Universit´

e de Lyon

BOU MATAR-LACAZE Olivier

Professeur, Ecole Centrale de Lille

JURY :

BASSET Olivier

Professeur, Universit´

e de Lyon

BEAUGRAND Michel

Professeur, Hˆ

opital Jean Verdier, CHU de Seine-Saint-Denis

BOU MATAR-LACAZE Olivier

Professeur, Ecole Centrale de Lille

LAUGIER Pascal

Directeur de recherche, CNRS, Paris

MIETTE V´

eronique

Directrice recherche adjointe, Docteur, Echosens, Paris

REMENIERAS Jean-Pierre

Ing´

enieur de recherche, Docteur, Universit´

e de Tours

SANDRIN Laurent

Directeur R&D, Docteur, Echosens, Paris - Encadrant

UNIVERSIT´

E

FRAN ¸

COIS RABELAIS

DE TOURS

´

Ecole Doctorale Sant´

e, Sciences et Technologies

´

EQUIPE de RECHERCHE :

Unit´

e Mixte de Recherche

Inserm U930 - CNRS ERL3106 - Universit´

e Fran¸

cois Rabelais de Tours

« Imagerie et Cerveau »

TH`

ESE

pr´

esent´

ee par :

C´

ecile Morgane BASTARD

soutenue le : 18 D´

ecembre 2009

pour obtenir le grade de : Docteur de l’Universit´

e Fran¸

cois Rabelais

Discipline / Sp´

ecialit´

e : Sciences de la Vie et de la Sant´

e / Acoustique

Elastographie impulsionnelle quantitative :

caract´

erisation des propri´

et´

es visco´

elastiques des tissus et

application `

a la mesure de contact

TH `

ESE dirig´

ee par :

REMENIERAS Jean-Pierre

Ing´

enieur de Recherche, Docteur, Universit´

e de Tours

RAPPORTEURS :

BASSET Olivier

Professeur, Universit´

e de Lyon

BOU MATAR-LACAZE Olivier

Professeur, Ecole Centrale de Lille

JURY :

BASSET Olivier

Professeur, Universit´

e de Lyon

BEAUGRAND Michel

Professeur, Hˆ

opital Jean Verdier, CHU de Seine-Saint-Denis

BOU MATAR-LACAZE Olivier

Professeur, Ecole Centrale de Lille

LAUGIER Pascal

Directeur de recherche, CNRS, Paris

MIETTE V´

eronique

Directrice recherche adjointe, Docteur, Echosens, Paris

REMENIERAS Jean-Pierre

Ing´

enieur de recherche, Docteur, Universit´

e de Tours

SANDRIN Laurent

Directeur R&D, Docteur, Echosens, Paris - Encadrant

Remerciements

A Echosens,

Un grand merci `

a Laurent qui m’a permis de r´

ealiser mon stage de fin d’´

etude `

a

Echosens puis de poursuivre en th`

ese. Merci `

a lui d’avoir ´

et´

e un encadrant dynamique et

attentif malgr´

e ses multiples obligations. Je souhaite ´

egalement remercier V´

eronique pour

sa disponibilit´

e durant ces trois ann´

ees.

Merci aux ex-doctorants d’Echosens avec qui j’ai partag´

e des soir´

ees et des week-ends de

travail studieux ! Un merci particulier `

a Matteo pour le travail r´

ealis´

e en binˆ

ome sur le

dernier chapitre de ce manuscrit.

Pour la bonne humeur qui a r´

egn´

e dans le bureau, je tiens `

a remercier Magali et Yassine.

Merci aussi `

a St´

ephane pour ses divers petits bricolages et pour la parfaite organisation

des cˆ

ables sous mon bureau ! Bon courage pour la suite de la th`

ese !

Je n’oublie pas non plus les ´

electroniciens et d´

eveloppeurs sans qui je n’aurais pas eu les

platines pour r´

ealiser mes exp´

eriences. Merci donc `

a Sylvain, Eric et S´

ebastien.

Enfin, je tiens `

a remercier Jean-Yves et Ludovic, les « MacGyver » d’Echosens, qui ont

mˆ

eme r´

eussi `

a mettre la multivoie en boˆıte !

Au laboratoire,

Mes premiers remerciements vont `

a Jean-Pierre qui m’a initi´

ee aux subtilit´

es de la

propagation d’ondes, et qui a su me laisser beaucoup de libert´

e et d’autonomie tout au

long de ma th`

ese.

J’ai finalement pass´

e relativement peu de temps `

a Tours mais j’y ai toujours ´

et´

e tr`

es bien

accueillie. Merci donc `

a toute l’´

equipe, particuli`

erement aux membres de « l’Unit´

e Barbue

de Recherche » qui m’ont gentiment fait une place dans leur bureau mˆ

eme si, `

a l’´

evidence,

je ne satisfaisais pas tous les crit`

eres... Merci aussi `

a l’ensemble du club tricot (et chocolat) !

Et ailleurs...

Merci `

a Mich`

ele Chabert et Athina Kalopissis du Centre de Recherche des Cordeliers

et `

a H´

el`

ene Gilgenkrantz de l’Institut Cochin pour leur participation.

Enfin, je souhaite remercier Olivier Bou Matar-Lacaze et Olivier Basset d’avoir accept´

e

d’ˆ

etre rapporteurs de cette th`

ese ainsi que Michel Beaugrand et Pascal Laugier pour leur

participation au jury.

R´

esum´

e

L’´

elastographie impulsionnelle est une technique de caract´

erisation tissulaire

permet-tant de mesurer in vivo les propri´

et´

es visco´

elastiques des tissus vivants en ´

etudiant la

propagation d’ondes de cisaillement. Cette technique est aujourd’hui un outil diagnostique

couramment utilis´

e en h´

epatologie. Cependant, l’´

elastographie impulsionnelle pourrait

en-core b´

en´

eficier de d´

eveloppements technologiques et algorithmiques importants permettant

d’´

etendre son usage `

a d’autres applications cliniques.

Au cours de cette th`

ese, un outil num´

erique permettant de simuler la propagation des

ondes de cisaillement dans des tissus mous visco´

elastiques a ´

et´

e d´

evelopp´

e. Ses r´

esultats

ont ´

et´

e valid´

es par comparaison avec ceux fournis par un mod`

ele analytique et confront´

es

`

a des donn´

ees exp´

erimentales. Dans un deuxi`

eme temps cet outil de simulation a ´

et´

e utilis´

e

pour tester diff´

erentes strat´

egies permettant de mesurer l’´

elasticit´

e de milieux h´

et´

erog`

enes.

L’´

etude de la viscosit´

e de cisaillement, une propri´

et´

e m´

ecanique encore peu mesur´

ee par

´

elastographie, est ´

egalement abord´

ee. Des algorithmes d´

edi´

es `

a la mesure in vivo de ce

param`

etre sont ainsi pr´

esent´

es et appliqu´

es au foie. Enfin, un nouveau syst`

eme de

micro-´

elastographie permettant de mesurer les param`

etres visco´

elastiques de petits organes ou

de tissus situ´

es au contact de la sonde a ´

et´

e propos´

e. Ce syst`

eme de micro-´

elastographie

de contact a ´

et´

e appliqu´

e avec succ`

es pour mesurer in vivo l’´

elasticit´

e du foie sur deux

mod`

eles murins : un mod`

ele d’amylo¨ıdose et un mod`

ele de fibrose exp´

erimentale.

Mots cl´

es :

Elastographie impulsionnelle quantitative, micro-´

elastographie, ultrasons,

caract´

erisation tissulaire, ´

elasticit´

e, viscosit´

e, simulation, m´

ethode pseudospectrale, onde

de cisaillement, foie, souris, mesure de contact, fibrose, amylo¨ıdose.

Abstract

Transient elastography (TE) is a tissue characterization technique used to measure

non-invasively the viscoelastic properties of human tissues. TE uses ultrasound to follow the

propagation of a low frequency shear wave generated in a tissue by an external vibrator.

In hepatology, this new technique is now a common diagnostic tool to assess liver fibrosis.

However, TE could still benefit from technological and algorithmic improvements to

ex-tend its use to other clinical applications.

In this thesis, a numerical tool to simulate shear wave propagation in viscoelastic soft

tissues was developed. Its results were validated by comparison with those provided by

an analytical model and compared to experimental data. This tool was then used to test

several inverse methods to compute the shear modulus and the shear viscosity of a medium

from the displacements measured using ultrasound. These techniques were applied in vivo

to measure the viscoelastic properties of liver. Finally, a novel micro-elastography device

dedicated to the measurement of the elasticity of small organs or tissues was introduced

and tested to quantify the elasticity of the liver in two murine models in vivo : a model of

amyloidosis and a model of experimental fibrosis.

Keywords :

Transient elastography, micro-elastography, ultrasound, tissue

characte-rization, elasticity, viscosity, simulation, pseudospectral method, shear wave, liver, mice,

fibrosis, amyloidosis.

Table des mati`

eres

Introduction

1

1

L’´

elastographie : une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire

7

1.1

Introduction . . . .

9

1.2

Principes physiques de l’´

elastographie

. . . .

9

1.3

Etat de l’art en ´

´

elastographie . . . .

12

1.3.1

Recherche acad´

emique . . . .

12

1.3.2

Applications industrielles . . . .

19

1.3.3

L’´

elastographie aujourd’hui dans la pratique clinique . . . .

22

1.4

Quelles perspectives pour l’´

elastographie ? . . . .

24

2

Simulation de la propagation d’ondes de cisaillement dans des milieux

visco´

elastiques par m´

ethode pseudospectrale

31

2.1

Introduction . . . .

33

2.2

Mod`

ele complet . . . .

34

2.2.1

Conditions d’axisym´

etrie

. . . .

34

2.2.2

Mod`

ele num´

erique . . . .

35

2.2.3

Comparaison avec un mod`

ele analytique . . . .

37

2.2.4

Application aux milieux h´

et´

erog`

enes . . . .

39

2.3

Cas des tissus mous

. . . .

39

2.3.1

S´

eparation des sources . . . .

39

2.3.2

Equation d’ondes . . . .

42

2.3.3

Terme de couplage . . . .

42

2.3.4

Validation th´

eorique . . . .

43

2.3.5

Tissus h´

et´

erog`

enes . . . .

44

2.4

Comparaison avec des donn´

ees exp´

erimentales . . . .

46

2.4.1

Dispositif exp´

erimental

. . . .

46

2.4.2

D´

eplacements exp´

erimentaux . . . .

46

2.5

Discussion et conclusion . . . .

47

TABLE DES MATI `

ERES

2.5.2

Conclusion

. . . .

48

3

Etude des propri´

´

et´

es ´

elastiques des tissus h´

et´

erog`

enes par ´

elastographie

impulsionnelle : application au foie

53

3.1

Introduction . . . .

55

3.1.1

L’´

elastographie impulsionnelle param´

etrique . . . .

55

3.1.2

Objectif . . . .

57

3.2

M´

ethodes . . . .

58

3.2.1

Les strat´

egies d’estimation de l’´

elasticit´

e en ´

elastographie . . . .

58

3.2.2

Application `

a l’´

elastographie impulsionnelle 1D : ´

etude sur donn´

ees

simul´

ees . . . .

59

3.2.3

Estimation de l’h´

et´

erog´

en´

eit´

e . . . .

66

3.3

Inversion locale directe 1-D : ´

Etude exp´

erimentale

. . . .

66

3.3.1

Dispositif exp´

erimental

. . . .

66

3.3.2

Etude sur fantˆ

ome . . . .

68

3.3.3

Tests sur le foie in vivo

. . . .

69

3.4

Inversion locale directe 3-D : ´

Etude exp´

erimentale

. . . .

73

3.4.1

Dispositif exp´

erimental

. . . .

73

3.4.2

R´

esultats . . . .

75

3.5

Conclusion

. . . .

76

4

Mesure de la viscosit´

e de cisaillement par ´

elastographie impulsionnelle 81

4.1

Notions g´

en´

erales sur la viscosit´

e . . . .

83

4.1.1

La viscosit´

e des tissus mous . . . .

83

4.1.2

Mod`

eles rh´

eologiques . . . .

84

4.1.3

Module de cisaillement complexe . . . .

88

4.1.4

Choix d’un mod`

ele rh´

eologique . . . .

88

4.1.5

La viscosit´

e : un param`

etre clinique pertinent ? . . . .

89

4.2

Mesure de la viscosit´

e du foie : ´

etat de l’art . . . .

90

4.2.1

Mesure par ´

elastographie par r´

esonance magn´

etique . . . .

90

4.2.2

Mesure par ´

elastographie ultrasonore . . . .

91

4.2.3

Quelle place pour une mesure de viscosit´

e par ´

elastographie

impul-sionnelle ? . . . .

92

4.3

Deux m´

ethodes de mesure de la viscosit´

e de cisaillement par ´

elastographie

impulsionnelle . . . .

92

4.3.1

Approximation d’onde plane

. . . .

92

4.3.2

Mesure de la dispersion fr´

equentielle de la vitesse de phase

. . . . .

94

4.3.3

Mesure de la viscosit´

e de cisaillement par la m´

ethode du centro¨ıde .

96

4.4

Tests in vivo

. . . 101

TABLE DES MATI `

ERES

4.5

Discussion et conclusion . . . 104

4.5.1

Performances des deux m´

ethodes . . . 104

4.5.2

Comparaison avec l’´

etat de l’art

. . . 105

4.5.3

Conclusion

. . . 105

5

Micro-´

elastographie impulsionnelle

109

5.1

Introduction . . . 111

5.1.1

Limites de l’´

elastographie impulsionnelle . . . 111

5.1.2

Mesure d’´

elasticit´

e de contact : ´

etat de l’art . . . 111

5.2

De l’´

elastographie `

a la micro-´

elastographie . . . 112

5.2.1

Optimisation de la g´

en´

eration de l’onde de cisaillement . . . 112

5.2.2

Optimisation de la fr´

equence ultrasonore . . . 114

5.2.3

Dispositif ´

electronique et logiciel . . . 116

5.2.4

Validation sur fantˆ

omes . . . 116

5.3

Mesure in vivo de l’´

elasticit´

e du foie de souris par micro-´

elastographie

im-pulsionnelle . . . 116

5.3.1

Introduction

. . . 117

5.3.2

Mat´

eriel et m´

ethodes . . . 118

5.3.3

R´

esultats . . . 121

5.3.4

Discussion . . . 127

5.4

Applications potentielles de la micro-´

elastographie impulsionnelle . . . 128

5.4.1

Mesure de l’´

elasticit´

e de la prostate . . . 128

5.4.2

Mesures externes de contact . . . 130

5.5

Conclusion

. . . 131

Conclusion

137

Annexes

139

A Impl´

ementation num´

erique du code de propagation d’ondes

141

B Lien entre les modules de stockage et de perte et les param`

etres

visco-´

elastiques fournis par diff´

erents mod`

eles rh´

eologiques

147

C Expression de la vitesse de phase et de l’att´

enuation en fonction des

modules d’´

elasticit´

e dynamique

151

D Syst`

emes et logiciel

153

TABLE DES MATI `

ERES

Liste des communications

169

Liste des tableaux

2.1

Liste des symboles . . . .

34

3.1

Score Metavir.

. . . .

71

4.1

Mesures de viscosit´

e de cisaillement dans le foie.

. . . .

90

5.1

Fr´

equence de cisaillement F

n´

ecessaire pour mesurer sans biais le module

d’Young E d’un milieu caract´

eris´

e par une vitesse de cisaillement v

. . . 114

5.2

Comparaison des modules d’Young mesur´

es dans deux fantˆ

omes par ´

elasto-graphie impulsionnelle (Fibroscan

) `

a 50 Hz et micro-´

elastographie

impul-sionnelle `

a 300 Hz. . . 116

5.3

Modifications du foie en fonction du stade d’amylo¨ıdose . . . 119

5.4

Caract´

eristiques des animaux contrˆ

oles et r´

esultats des mesures . . . 122

5.5

Caract´

eristiques des animaux du mod`

ele d’amylo¨ıdose et r´

esultats des mesures124

5.6

Caract´

eristiques des animaux utilis´

es lors de l’´

etude sur la fibrose exp´

eri-mentale et r´

esultats des mesures

. . . 125

D.1 Caract´

eristiques des syst`

emes ultrasonores Echosens en terme de nombre

de voies, de bande passante (BP), de fr´

equence d’´

echantillonnage (Fe) et de

vitesse de transmission des donn´

ees. . . 154

LISTE DES TABLEAUX

Table des figures

1.1

Plage de variation des modules de compression et de cisaillement dans les

tissus biologiques . . . .

10

1.2

Principe de l’´

elastographie statique . . . .

12

1.3

Image de prostate par sono´

elastographie . . . .

13

1.4

Elastographie du foie par r´

esonance magn´

etique

. . . .

14

1.5

Vibroacoustographie dans des art`

eres iliaques humaines excis´

ees . . . .

16

1.6

Imagerie B-mode et ARFI du foie et du rein d’un patient sain . . . .

16

1.7

Supersonic shear imaging dans le foie d’un volontaire sain . . . .

17

1.8

Aorte abdominale de lapin imag´

ee par IVUS

. . . .

18

1.9

Elastographie du myocarde . . . .

18

1.10 Fibroscan

(Echosens) . . . .

20

1.11 Outils d’´

elastographie propos´

es par Siemens . . . .

21

1.12 Elastographie Shearwave

_{. . . .}

₂₁

1.13 Coupe histologique d’un foie normal . . . .

22

1.14 Module d’Young mesur´

e avec le Fibroscan

pour chaque stade de fibrose

sur 183 patients . . . .

23

2.1

Rep`

ere axisym´

etrique

. . . .

35

2.2

Directivit´

e angulaire des termes de cisaillement, compression et couplage . .

37

2.3

D´

eplacement suivant l’axe z dans un milieu purement ´

elastique . . . .

38

2.4

D´

eplacement suivant l’axe z dans un milieu visco´

elastique . . . .

39

2.5

Syst`

eme de coordonn´

ees cylindriques utilis´

e pour r´

esoudre l’´

equation de

Poisson

. . . .

40

2.6

Force de cisaillement dans un milieu homog`

ene . . . .

41

2.7

Composante de cisaillement du d´

eplacement dans un milieu homog`

ene

pu-rement ´

elastique

. . . .

43

2.8

Composante de cisaillement du d´

eplacement dans un milieu homog`

ene

vis-co´

elastique

. . . .

44

2.9

Composante du d´

eplacement dans un milieu h´

et´

erog`

ene contenant une

in-clusion dure . . . .

45

TABLE DES FIGURES

2.10 Composante du d´

eplacement dans un milieu h´

et´

erog`

ene contenant une

in-clusion molle . . . .

45

2.11 Comparaison entre les d´

eplacements exp´

erimentaux et les d´

eplacements

si-mul´

es

. . . .

46

2.12 comparaison entre les d´

eplacements simul´

es dans trois milieux . . . .

48

3.1

Elastographie impulsionnelle en transmission et en r´

eflexion . . . .

55

3.2

Images des taux de d´

eformation mesur´

ees avec le Fibroscan

. . . .

56

3.3

Cirrhose micronodulaire et macronodulaire

. . . .

57

3.4

Reconstruction de la vitesse par la m´

ethode des temps de vol . . . .

60

3.5

Calcul du Laplacien en x et y `

a partir des d´

eplacements mesur´

es sur sept axes 62

3.6

Inversion directe 1D et 3D dans le cas homog`

ene . . . .

63

3.7

Propagation d’une onde de cisaillement dans un milieu contenant trois

in-clusions sph´

eriques . . . .

63

3.8

Inversion directe 1D et 3D dans le cas h´

et´

erog`

ene . . . .

64

3.9

Influence du bruit sur les inversions directes 1D et 3D . . . .

65

3.10 Indice d’h´

et´

erog´

en´

eit´

e pour diff´

erents milieux simul´

es . . . .

67

3.11 Sch´

ema d’un fantˆ

ome d’´

elasticit´

e (CIRS Inc., USA) . . . .

68

3.12 Cartographie d’´

elasticit´

e d’un fantˆ

ome h´

et´

erog`

ene obtenue avec l’algorithme

des temps de vol . . . .

69

3.13 Cartographie d’´

elasticit´

e d’un fantˆ

ome h´

et´

erog`

ene obtenue par inversion

directe . . . .

70

3.14 Compl´

ementarit´

e entre la valeur d’´

elasticit´

e et l’indice d’h´

et´

erog´

en´

eit´

e . . .

70

3.15 Mesure de l’´

elasticit´

e du foie avec le Fibroscan

_{. . . .}

₇₁

3.16 Calcul de l’indice d’h´

et´

erog´

en´

eit´

e dans le foie de 6 volontaires sains.

. . . .

72

3.17 Boxplots repr´

esentant E et IH en fonction du stade de fibrose . . . .

73

3.18 Boxplots IH en fonction du stade de fibrose et de l’´

etiologie . . . .

74

3.19 Champ acoustique du transducteur multi-´

el´

ements . . . .

74

3.20 Transducteur multi´

el´

ements d´

edi´

e `

a l’inversion 3D . . . .

75

3.21 Comparaison des reconstructions 1D et 3D dans un fantˆ

ome h´

et´

erog`

ene . .

76

4.1

Exp´

erience de relaxation . . . .

83

4.2

Courbe de relaxation de contraintes mesur´

ee dans des agr´

egats de tissus

embryonnaires h´

epatiques . . . .

84

4.3

Ressort repr´

esentant un ´

el´

ement ´

elastique . . . .

85

4.4

Amortisseur repr´

esentant un ´

el´

ement visqueux

. . . .

85

4.5

Mod`

ele de Maxwell . . . .

85

4.6

Mod`

ele de Voigt

. . . .

86

4.7

Mod`

ele de Zener . . . .

86

4.8

Fonctions de fluage des mod`

eles de Maxwell, Voigt et Zener . . . .

87

xvi

TABLE DES FIGURES

4.9

Fonctions de relaxation des mod`

eles de Maxwell, Voigt et Zener . . . .

87

4.10 Mod`

ele de Maxwell g´

en´

eralis´

e . . . .

88

4.11 Elimination de la composante de champ proche par segmentation . . . .

93

4.12 Comparaison de la phase avant et apr`

es segmentation

. . . .

94

4.13 Zone d’int´

erˆ

et d’un ´

elastogramme avant et apr`

es segmentation

. . . .

95

4.14 Estimation de la vitesse de phase par r´

egression lin´

eaire . . . .

95

4.15 Estimation de la viscosit´

e par une m´

ethode d’ajustement non lin´

eaire

. . .

96

4.16 Reconstruction de la viscosit´

e de cisaillement par un algorithme de

disper-sion fr´

equentielle . . . .

97

4.17 Densit´

e spectrale d’´

energie pour un ´

elastogramme simul´

e . . . .

98

4.18 Centro¨ıde du signal en fonction de la profondeur . . . .

99

4.19 Viscosit´

e de cisaillement reconstruite grˆ

ace `

a l’algorithme du centro¨ıde en

fonction de la vitesse de cisaillement inject´

ee dans la simulation . . . 101

4.20 Propagation d’une onde de cisaillement dans deux milieux d’´

elasticit´

es

dif-f´

erentes et de viscosit´

e ´

egale `

a 3 Pa.s . . . 102

4.21 Mesure in vivo de la viscosit´

e de cisaillement du foie en ´

etudiant la dispersion

fr´

equentielle de la vitesse de phase . . . 102

4.22 Viscosit´

e de cisaillement calcul´

ee in vivo par la m´

ethode du centro¨ıde

. . . 103

4.23 Boxplots repr´

esentant E et η en fonction du stade de st´

eatose . . . 104

5.1

Influence des effets de diffraction sur la vitesse de cisaillement estim´

ee par

des techniques de temps de vol . . . 112

5.2

Influence du diam`

etre du piston sur le d´

elai d’arriv´

ee de l’onde de cisaillement113

5.3

Caract´

eristiques acoustiques des transducteurs utilis´

es en micro-´

elastographie115

5.4

Transducteur ultrasonore de fr´

equence centrale 10 MHz utilis´

e en

micro-´

elastographie. . . 115

5.5

Foies de souris atteintes d’amylo¨ıdose . . . 118

5.6

Anatomie du foie de la souris . . . 120

5.7

Points de mesure sur le foie de souris . . . 120

5.8

Configuration d’une mesure d’´

elastographie . . . 121

5.9

Coupes histologiques du foie de souris atteintes d’amylo¨ıdose . . . 123

5.10 Elasticit´

e du foie en fonction du stade d’amylo¨ıdose chez la souris . . . 125

5.11 Coupes histologiques des foies des neuf souris utilis´

ees lors de l’´

etude sur la

fibrose exp´

erimentale . . . 126

5.12 Elasticit´

e du foie en fonction de la fibrose chez la souris . . . 126

5.13 Mesure de l’´

elasticit´

e d’une pi`

ece de prostate

. . . 129

5.14 Elastogrammes obtenus in vitro sur un sp´

ecimen de prostatectomie pr´

esen-tant un nodule canc´

ereux . . . 129

5.15 Dispositif de micro-´

elastographie de contact . . . 130

TABLE DES FIGURES

5.16 Elastogrammes obtenus en utilisant un dispositif vibratoire de type mini

haut-parleur . . . 131

D.1 Chronogramme d’un s´

equenceur ultrasonore . . . 155

D.2 Repr´

esentation sch´

ematique de l’architecture du logiciel de recherche . . . . 157

Introduction

L’´

elastographie est une technique de caract´

erisation tissulaire qui permet de mesurer

in vivo les propri´

et´

es visco´

elastiques des milieux biologiques. Cette technique regroupe en

r´

ealit´

e des proc´

ed´

es tr`

es vari´

es ayant pour point commun de permettre de diff´

erencier les

tissus en fonction de leur ´

elasticit´

e. Les propri´

et´

es visco´

elastiques des tissus vivants sont

en effet connues pour ˆ

etre en relation avec un ´

etat pathologique. Ainsi, une tumeur est

g´

en´

eralement plus dure que les structures saines environnantes. Dans la pratique clinique,

la palpation, qui est une appr´

eciation qualitative de la duret´

e des organes c’est-`

a-dire de

leur ´

elasticit´

e, est couramment utilis´

ee afin de d´

etecter des masses suspectes. Le but des

techniques d’´

elastographie est de fournir un outil permettant d’´

evaluer de mani`

ere

quan-titative et non-invasive l’´

elasticit´

e des tissus.

Dans le domaine de la recherche, les premiers d´

eveloppements en ´

elastographie ont eu lieu

`

a partir des ann´

ees 80. Certains groupes, comme celui de Jonathan Ophir aux Etats-Unis,

se sont concentr´

es sur l’´

elastographie statique, qui repose sur la mesure des d´

eformations

engendr´

ees dans les tissus par une compression quasi-statique. Les travaux men´

es en ´

elas-tographie dynamique consistent quant `

a eux `

a g´

en´

erer, de mani`

ere transitoire ou continue,

une onde de cisaillement dans les tissus et `

a suivre sa propagation par ultrasons ou grˆ

ace

`

a l’imagerie par r´

esonance magn´

etique. Les principaux groupes de recherche travaillant

en ´

elastographie dynamique au cours des ann´

ees 1990 et 2000, ont ´

et´

e l’´

equipe de l’Ecole

Sup´

erieure de Physique Chimie Industrielle de Paris, l’´

equipe de Kathryn Nightingale `

a

l’universit´

e de Duke en Caroline du Nord, et la Mayo Clinic.

Les travaux men´

es dans ce domaine ont abouti en 2003 `

a la mise sur le march´

e par la

soci´

et´

e fran¸caise Echosens, du premier dispositif reposant sur l’´

elastographie

impulsion-nelle quantitative. Entre 2004 et aujourd’hui, les grands groupes de l’imagerie m´

edicale

comme Hitachi, Siemens, Toshiba ou plus r´

ecemment General Electric, ont impl´

ement´

e sur

leurs ´

echographes des modules mettant en oeuvre des proc´

ed´

es d’´

elastographie statique.

Cette technique, qui a cependant l’inconv´

enient d’ˆ

etre uniquement qualitative, apparaˆıt

aujourd’hui comme un module standard sur la plupart des ´

echographes. En 2008, la

so-ci´

et´

e fran¸

caise Supersonic Imagine, et le groupe Siemens ont mis en vente les premiers

´

echographes permettant d’obtenir des cartographies quantitatives de l’´

elasticit´

e des tissus.

L’´

elastographie est aujourd’hui un outil valid´

e dans le domaine de l’h´

epatologie pour la

quantification de la fibrose h´

epatique. De nombreux protocoles cliniques sont actuellement

en cours afin de d´

emontrer l’efficacit´

e de la technologie pour le d´

epistage des cancers du

sein.

INTRODUCTION

Ce travail de th`

ese a ´

et´

e r´

ealis´

e en collaboration avec la soci´

et´

e Echosens (Paris, France)

fond´

ee en 2001 et qui commercialise depuis 2003 le Fibroscan

, d´

edi´

e `

a la quantification

de la fibrose h´

epatique. Ce dispositif, bas´

e sur l’´

elastographie impulsionnelle, fournit une

valeur moyenne du module d’Young des tissus biologiques en faisant l’hypoth`

ese que

ceux-ci sont purement ´

elastiques. Il a ´

et´

e cliniquement valid´

e dans le cas des maladies chroniques

du foie (h´

epatites B et C). Ce dispositif ne prend en compte ni l’h´

et´

erog´

en´

eit´

e des tissus,

ni leurs propri´

et´

es visqueuses.

Dans ce contexte, ce travail de th`

ese avait deux objectifs :

1. Proposer des m´

ethodes permettant d’´

etudier les propri´

et´

es ´

elastiques des tissus h´

e-t´

erog`

enes par ´

elastographie impulsionnelle ainsi que leur visco´

elasticit´

e.

2. Etendre le champ d’application de l’´

elastographie impulsionnelle pour permettre la

mesure de structures de taille r´

eduite situ´

ees au contact de la sonde.

Ce manuscrit est organis´

e suivant cinq chapitres :

Le premier chapitre de ce m´

emoire pr´

esente un ´

etat de l’art en mati`

ere d’´

elastographie.

Le but de cette partie est d’introduire les principes physiques de l’´

elastographie, depuis les

m´

ethodes statiques d´

evelopp´

ees dans les ann´

ees 1980, jusqu’`

a l’´

elastographie dynamique

mise au point dans les ann´

ees 1990 et 2000. La premi`

ere partie de cet ´

etat de l’art est

consacr´

ee `

a la recherche acad´

emique ; la seconde partie donne un aper¸cu des dispositifs

m´

edicaux actuellement commercialis´

es qui proposent une impl´

ementation de l’´

elastogra-phie. L’introduction de l’´

elastographie dans la pratique clinique et ses perspectives de

d´

eveloppement sont ´

egalement abord´

ees.

Le deuxi`

eme chapitre est consacr´

e au d´

eveloppement d’un outil num´

erique permettant

de simuler la propagation des ondes ´

elastiques dans des tissus mous visco´

elastiques et h´

e-t´

erog`

enes. Dans un premier temps, un mod`

ele complet, simulant `

a la fois la propagation

des ondes de compression et de cisaillement est pr´

esent´

e et valid´

e par comparaison avec

un mod`

ele analytique. Dans un deuxi`

eme temps, une m´

ethode permettant de s´

eparer les

contributions de compression et de cisaillement, est propos´

ee. Les r´

esultats de ce mod`

ele,

qui permet de simuler la propagation des ondes de cisaillement ind´

ependamment de celle

des ondes de compression, sont compar´

es `

a des r´

esultats exp´

erimentaux obtenus par ´

elas-tographie impulsionnelle.

Au cours du troisi`

eme chapitre, cet outil de simulation est utilis´

e afin de tester diff´

e-rentes strat´

egies permettant de mesurer l’´

elasticit´

e de milieux h´

et´

erog`

enes. Les techniques

d’inversion directe unidimensionnelle et tridimensionnelle sont notamment abord´

ees. Un

algorithme bas´

e sur l’inversion directe unidimensionnelle et permettant de quantifier l’h´

e-t´

erog´

en´

eit´

e d’un milieu en terme d’´

elasticit´

e est propos´

e et appliqu´

e `

a des donn´

ees acquises

in vitro et sur le foie in vivo. Enfin, un nouveau dispositif d´

edi´

e `

a l’inversion directe

tridi-mensionnelle est pr´

esent´

e.

Le quatri`

eme chapitre est consacr´

e `

a l’´

etude de la viscosit´

e de cisaillement, une

pro-pri´

et´

e m´

ecanique des tissus encore inexploit´

ee pour le diagnostic m´

edical. Apr`

es quelques

rappels concernant les notions g´

en´

erales sur la viscosit´

e de cisaillement et les mod`

eles rh´

INTRODUCTION

logiques, un ´

etat de l’art concernant la mesure de la viscosit´

e du foie par ´

elastographie est

pr´

esent´

e. Deux m´

ethodes destin´

ees `

a la mesure de la viscosit´

e de cisaillement par ´

elasto-graphie impulsionnelle sont alors propos´

ees puis test´

ees sur des milieux simul´

es et sur le

foie in vivo.

Enfin, dans le dernier chapitre, un syst`

eme original de micro-´

elastographie permettant

de mesurer les param`

etres visco´

elastiques de petits organes ou de tissus situ´

es au contact

de la sonde a ´

et´

e propos´

e. Ce syst`

eme de micro-´

elastographie de contact a ´

et´

e appliqu´

e

avec succ`

es pour mesurer in vivo l’´

elasticit´

e du foie sur deux mod`

eles murins : un mod`

ele

d’amylo¨ıdose et un mod`

ele de fibrose exp´

erimentale.

Chapitre 1

L’´

elastographie : une nouvelle

technique de caract´

erisation

tissulaire

L’´

elastographie est une technique de caract´

erisation tissulaire dont les premiers d´

eve-loppements remontent `

a une vingtaine d’ann´

ees. Durant la derni`

ere d´

ecennie, l’´

elastogra-phie a connu une ´

evolution tr`

es rapide qui a permis, entre 2003 et aujourd’hui,

l’introduc-tion sur le march´

e de plusieurs dispositifs industriels impl´

ementant cette technologie. Ces

dispositifs s’adressent au domaine clinique notamment en h´

epatologie et en oncologie.

Le terme d’´

elastographie d´

esigne en fait un ensemble de techniques destin´

ees `

a mesurer les

propri´

et´

es visco´

elastiques des tissus biologiques et mettant en oeuvre diff´

erentes

technolo-gies telles que les ultrasons ou l’imagerie par r´

esonance magn´

etique. Le but de ce chapitre

est de pr´

esenter un ´

etat de l’art en ´

elastographie et de donner un aper¸

cu de son utilisation

actuelle dans la pratique clinique.

Sommaire du chapitre

1.1 Introduction 9

1.2 Principes physiques de l’´elastographie 9

1.3 Etat de l’art en ´´ elastographie 12

1.3.1 Recherche acad´emique 12

1.3.1.1 Elastographie statique 12

1.3.1.2 Elastographie dynamique 13

1.3.2 Applications industrielles 19

1.3.3 L’´elastographie aujourd’hui dans la pratique clinique 22

1.3.3.1 En h´epatologie 22

1.3.3.2 En oncologie 23

1.3.3.3 En ´echocardiographie 24

1.4 Quelles perspectives pour l’´elastographie ? 24

Chapitre 1. L’´

elastographie : une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire

1.1

Introduction

Les outils diagnostiques d’imagerie couramment utilis´

es aujourd’hui exploitent de

nom-breuses propri´

et´

es physiques des tissus afin d’en fournir une cartographie. Ainsi, l’imagerie

par r´

esonance magn´

etique (IRM), l’imagerie par rayons X, et l’´

echographie renseignent

respectivement sur la concentration des atomes d’hydrog`

ene dans les tissus, l’absorption

moyenne des rayons X et le module de compression des tissus. En m´

edecine nucl´

eaire, les

techniques de Positron Emission Tomography (PET) et Single Photon Emission

Compu-ted Tomography (SPECT) informent sur les distributions spatiales et temporelles d’agents

pharmaceutiques cibl´

es dans l’organisme. Ces outils d’imagerie fournissent donc des

pa-ram`

etres vari´

es qui sont li´

es `

a la structure des tissus, `

a leur composition chimique ou `

a

leur fonction (m´

etabolisme, physiologie) mais qui diff`

erent d’une simple description

ana-tomique. L’interpr´

etation des images m´

edicales n´

ecessite de comprendre de quelle mani`

ere

les diff´

erentes propri´

et´

es du tissu imag´

e sont li´

ees `

a sa structure, `

a sa composition, `

a sa

fonction et finalement `

a son ´

etat pathologique.

Au cours des deux derni`

eres d´

ecennies, plusieurs groupes de recherche ont travaill´

e `

a la

mise au point de nouvelles m´

ethodes visant `

a la caract´

erisation in vivo des propri´

et´

es

vis-co´

elastiques des tissus. Ces diff´

erents travaux ont abouti `

a des proc´

ed´

es vari´

es regroup´

es

au sein d’une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire, i.e. l’´

elastographie. Les

dif-f´

erentes techniques d’´

elastographie ont pour point commun de permettre la diff´

erenciation

des tissus en fonction d’un param`

etre assez imm´

ediat `

a appr´

ehender, leur ´

elasticit´

e c’est `

a

dire leur duret´

e. En m´

edecine, l’´

elasticit´

e est un param`

etre depuis longtemps connu pour

ˆ

etre li´

e `

a l’´

etat pathologique des tissus. La palpation, qui est une appr´

eciation qualitative

de la duret´

e des tissus est couramment utilis´

ee, par exemple pour caract´

eriser des nodules

ou ´

evaluer l’´

etat d’un organe (foie, rate, etc.). Le but des techniques d’´

elastographie est de

fournir un outil permettant d’´

evaluer quantitativement et de mani`

ere non-invasive, l’´

elas-ticit´

e des tissus ou bien de fournir une cartographie des tissus bas´

ee sur leurs propri´

et´

es

´

elastiques.

1.2

Principes physiques de l’´

elastographie

Plusieurs grandeurs physiques sont utilis´

ees pour d´

ecrire le comportement m´

ecanique

d’un tissu, notamment le couple module d’Young / coefficient de Poisson (E, ν) et les

coefficients de Lam´

e (λ, µ).

Les relations entre les deux couples (E, ν) et (λ, µ) sont donn´

ees par les expressions :















E = µ

3λ + 2µ

λ + µ

ν =

λ

2(λ + µ)

et















λ = E

ν

(1 + ν)(1 − 2ν)

µ =

E

2(1 + ν)

(1.1)

L’´

elasticit´

e d’un tissu est g´

en´

eralement d´

ecrite soit grˆ

ace au module de cisaillement

µ, soit grˆ

ace au module d’Young E, tous deux exprim´

es en Pascals. D’un point de vue

physique, le module de cisaillement µ permet de caract´

eriser la d´

eformation d’un milieu

soumis `

a une contrainte de cisaillement.

1.2. Principes physiques de l’´

elastographie

Figure 1.1 – Plage de variation des modules de compression et de cisaillement de diff´erents

tissus biologiques (Echelle logarithmique). Source : Sarvazyan et al.[1]_.

Les tissus biologiques ´

etant des milieux quasi incompressibles (ν ≈ 0.5), d’apr`

es les

´

equations (1.1), les modules d’Young et de cisaillement sont finalement reli´

es par

l’expres-sion

E ≈ 3µ.

(1.2)

Le module d’Young relie quant `

a lui les contraintes σ appliqu´

ees `

a un milieu aux

d´

eformations  engendr´

ees dans le milieu selon la loi de Hooke :

σ = E

(1.3)

La figure 1.1 repr´

esente l’´

etendue des variations des modules de compression et de

ci-saillement de diff´

erents tissus biologiques en ´

echelle logarithmique. La variation du module

de cisaillement au sein des tissus biologiques s’´

etend sur plusieurs ordres de grandeur ce qui

en fait une propri´

et´

e int´

eressante pour diff´

erencier les tissus entre eux. En comparaison,

l’´

echelle de variation du module de compression, pourtant estim´

e au moyen de l’´

echogra-phie, est beaucoup plus faible.

Plusieurs approches sont possibles pour d´

eterminer le module d’Young d’un milieu. De

mani`

ere g´

en´

erale, les techniques d’´

elastographie sont divis´

ees en deux cat´

egories : l’´

elas-tographie statique et l’´

elastographie dynamique. En ´

elastographie statique, on mesure la

d´

eformation des tissus suite `

a l’application d’une contrainte quasi-statique `

a leur surface.

La loi de Hooke (Eq. 1.3) permet alors de calculer le module d’Young `

a condition de

connaˆıtre la contrainte appliqu´

ee, ce qui peut s’av´

erer difficile exp´

erimentalement. L’´

elas-tographie dynamique repose sur l’´

etude des d´

eformations engendr´

ees dans les tissus par

la propagation d’ondes de cisaillement g´

en´

er´

ees soit grˆ

ace `

a un vibreur externe, soit par

force de radiation ultrasonore, soit par les mouvements naturels des organes.

Que ce soit en ´

elastographie statique ou dynamique, les proc´

ed´

es utilis´

es pour mesurer les

10

Chapitre 1. L’´

elastographie : une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire

d´

eformations des tissus sont vari´

es. Il peut s’agir par exemple de techniques ultrasonores,

d’imagerie par r´

esonance magn´

etique ou encore de tomographie optique.

Les strat´

egies employ´

ees pour calculer le module d’Young des tissus en ´

elastographie

dynamique sont diverses et adapt´

ees au proc´

ed´

e d’acquisition des donn´

ees relatives aux

d´

eformations des tissus. De mani`

ere g´

en´

erale, la propagation d’une onde ´

elastique dans un

solide lin´

eaire, purement ´

elastique et isotrope est gouvern´

ee par l’´

equation de Navier :

ρ

∂~

v

∂t

= ~

∇. ¯

¯

T + ~

f ,

(1.4)

o`

u ρ, ~

v, ¯

T , et ~

¯

f sont respectivement la densit´

e, la vitesse particulaire, le tenseur des

contraintes et la force appliqu´

ee au milieu.

Globalement, il y a deux types de solutions `

a l’´

equation (1.4) :

– Les solutions irrotationnelles (de rotationnel nul) d´

ecrivant des ondes qui se

pro-pagent en modifiant localement le volume du milieu. Ce sont les ondes de

compres-sion.

– Les solutions sol´

eno¨ıdales (de divergence nulle) d´

ecrivant la propagation d’ondes qui

d´

eforment le milieu sans en changer le volume. Ce sont les ondes de cisaillement.

Dans les milieux mous, la vitesse des ondes de compression est de l’ordre de 1500 m/s

et celle des ondes de cisaillement est g´

en´

eralement comprise entre 1 m/s et 10 m/s. Les

ondes ultrasonores sont des ondes de compression.

Dans l’´

equation (1.4), dont la r´

esolution sera d´

etaill´

ee au chapitre 2, le tenseur des

contraintes ¯

T peut ˆ

¯

etre exprim´

e en fonction du module de cisaillement µ.

La d´

etermination du module de cisaillement d’un milieu en ´

elastographie dynamique

peut donc se faire par inversion directe de l’´

equation (1.4). Cette strat´

egie est souvent

appliqu´

ee en ´

elastographie par r´

esonance magn´

etique mais elle est peu adapt´

ee `

a l’´

elas-tographie ultrasonore. Cette m´

ethode n´

ecessite en effet l’usage de d´

eriv´

ees secondes dont

l’emploi est particuli`

erement d´

elicat en cas de faibles rapports signal sur bruit comme on

peut le rencontrer en ´

echographie.

Les techniques de temps de vol sont plus couramment employ´

ees en ´

elastographie

ultrasonore. Elles consistent `

a mesurer la vitesse de propagation de l’onde de cisaillement

V

qui est li´

ee au module de cisaillement par la relation

V

=

r µ

1.3. ´

Etat de l’art en ´

elastographie

1.3

Etat de l’art en ´

´

elastographie

1.3.1

Recherche acad´

emique

1.3.1.1

Elastographie statique

L’´

elastographie statique a ´

et´

e d´

evelopp´

ee par Ophir et al.

depuis 1991. Elle repose

sur la comparaison de plusieurs images ´

echographiques acquises avant et apr`

es

l’appli-cation d’une contrainte quasi-statique sur les tissus (Fig. 1.2). Le d´

eplacement est alors

calcul´

e grˆ

ace `

a des techniques d’intercorr´

elation entre les lignes RF acquises. Le champ de

d´

eformations est obtenu par d´

erivation de ce champ de d´

eplacement axial par rapport `

a la

profondeur et est repr´

esent´

e sur une image en niveaux de gris appel´

ee ´

elastogramme. Les

d´

eformations g´

en´

er´

ees par l’application d’une contrainte quasi-statique sont plus faibles

dans les milieux durs que dans les milieux mous. Le module d’Young est calcul´

e en le

supposant inversement proportionnel `

a la d´

eformation conform´

ement `

a la loi de Hooke

(Eq. 1.3). En raison de la difficult´

e `

a d´

eterminer les contraintes appliqu´

ees sur les tissus,

l’´

elastographie statique ne permet g´

en´

eralement pas de calculer le module d’Young mais

demeure qualitative. Grˆ

ace `

a cette technique, il est possible d’imager des contrastes d’´

elas-ticit´

e des tissus. L’´

elastographie statique est donc plus adapt´

ee `

a la d´

etection de nodules,

dans le sein par exemple, qu’`

a la caract´

erisation de tissus dont l’´

elasticit´

e est relativement

homog`

ene, tels que le foie. Dans un article de revue paru en 2004, Konofagou

r´

ecapitule

les principales applications de l’´

elastographie statique et cite notamment la d´

etection de

tumeurs prostatiques ou le suivi de l´

esions engendr´

ees par l’utilisation d’ultrasons focalis´

es

`

a haute intensit´

e (HIFU). Des exp´

eriences ont aussi ´

et´

e men´

ees en ´

elastographie statique

sur la peau (Mofid et al.

) en vue de possibles applications dans les domaines de la

dermatologie et de la cosm´

etologie.

Transducteur Dispositif de compression Lignes RF

Tissu

Figure 1.2 – En ´elastographie statique, les signaux RF acquis avant (a) et apr`es (b) l’application

d’une compression uniforme, sont compar´es. Les ´echos sont moins d´eform´es dans les tissus durs

(l´esion circulaire repr´esent´ee sur le sch´ema) que dans les tissus mous. Source : Konofagou[3]_.

Chapitre 1. L’´

elastographie : une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire

1.3.1.2

Elastographie dynamique

En ´

elastographie dynamique, les d´

eplacements sont engendr´

es dans les tissus par la

propagation d’ondes ´

elastiques. Ces ondes basse fr´

equence peuvent ˆ

etre g´

en´

er´

ees par

l’in-term´

ediaire d’un vibreur externe, ou encore en utilisant la force de pression de radiation

ultrasonore. Enfin, en ´

elastographie organique, ce sont les vibrations g´

en´

er´

ees par le

mou-vement naturel des organes qui sont `

a l’origine des d´

eplacements mesur´

es.

Elastographie par vibrations externes

En 1987, les travaux simultan´

es de Krouskop et al.

et Lerner et al.

ont men´

e `

a

la mise au point de la sono´

elastographie dont le principe est de mesurer, grˆ

ace `

a l’´

echo-graphie Doppler, les d´

eplacements induits dans des tissus mous par des vibreurs externes.

Depuis, la technique a ´

evolu´

e avec l’utilisation des « crawling waves » obtenues par

in-terf´

erence d’ondes de cisaillement de fr´

equences tr`

es proches (allant de 50 Hz `

a 400 Hz).

Cette m´

ethode est quantitative et permet de calculer la vitesse des ondes de cisaillement

dans le milieu. Grˆ

ace `

a la sono´

elastographie, Hoyt et al.

ont par exemple pu d´

etecter

des carcinomes sur des prostates excis´

ees (Fig. 1.3).

Figure 1.3 – Sono´elastographie dans une prostate ex vitro. (a) Image B-mode. (b) Sono´

elas-togramme obtenu par interf´erence de deux ondes de cisaillement de fr´equences 240 Hz et 240.15

Hz. (c) Image des vitesses de cisaillement. La l´esion dure apparaissant dans (c) a ´et´e confirm´ee

`

a l’histologie. Source : Hoyt et al.[7]_.

Les techniques ´

evoqu´

ees pr´

ec´

edemment utilisaient toutes les ultrasons comme outil

de mesure des d´

eplacements induits dans les tissus. En ´

elastographie par r´

esonance

ma-1.3. ´

Etat de l’art en ´

elastographie

gn´

etique (ERM), les ondes de cisaillement sont g´

en´

er´

ees par un vibreur externe mais les

d´

eplacements du milieu ´

etudi´

e sont mesur´

es par imagerie par r´

esonance magn´

etique grˆ

ace

`

a des s´

equences de gradient appropri´

ees. Cette technique a ´

et´

e d´

evelopp´

ee `

a la Mayo Clinic

(Muthupillai et al.

) ; elle a ´

et´

e utilis´

ee pour ´

etudier les propri´

et´

es m´

ecaniques du cerveau,

des muscles (Bensamoun et al.

) ou encore du foie (Talwalkar et al.

) (Fig. 1.4). L’´

elas-tographie par r´

esonance magn´

etique est une technique quantitative qui permet d’obtenir

des cartographies tr`

es ´

etendues du module de cisaillement des tissus. Ces cartographies

peuvent ˆ

etre calcul´

ees `

a partir d’un champ de d´

eplacement tridimensionnel, ce qui repr´

e-sente un avantage par rapport aux techniques ultrasonores. Dans ce cas aucune hypoth`

ese

concernant le champ de d´

eplacement de l’onde n’est en effet n´

ecessaire. Cependant la dur´

ee

d’une acquisition volumique est relativement importante.

Figure 1.4 – Elastographie par r´esonance magn´etique dans un foie sain et dans un foie

cir-rhotique. La longueur d’onde des ondes de cisaillement est nettement plus grande dans le foie

cirrhotique que dans le foie sain. Les ´elastogrammes montrent que le module de cisaillement est

plus ´elev´e dans le foie malade. Source : Talwalkar et al.[10]_.

Les techniques de sono´

elastographie et d’´

elastographie par r´

esonance magn´

etique

re-posent toutes deux sur la g´

en´

eration d’ondes ´

elastiques en r´

egime continu. Un inconv´

enient

de ce type d’approches vient du fait qu’elles engendrent `

a la fois des ondes de compression

et des ondes de cisaillement qui interf`

erent entre elles. De plus, elles sont particuli`

erement

sensibles aux conditions aux limites. Ceci impose donc l’utilisation de traitements

adap-t´

es, tels que l’application de l’op´

erateur rotationnel (Sinkus et al.

), pour s´

eparer les

contributions de compression et de cisaillement.

Pour pallier ce probl`

eme, Catheline et al.

ont introduit la technique de l’´

elastogra-phie impulsionnelle

qui consiste `

a g´

en´

erer une impulsion transitoire (i.e. une p´

eriode

de sinus apodis´

e) `

a l’aide d’un piston plac´

e au contact du milieu `

a mesurer. En raison de

la grande diff´

erence entre les vitesses des ondes de compression et de cisaillement, cette

technique permet d’´

eviter les interf´

erences entre les deux ondes. Les travaux de Sandrin

et al.

ont contribu´

e `

a l’am´

elioration des travaux de Catheline et al.

en couplant le

dispositif vibratoire avec le dispositif d’´

emission/r´

eception ultrasonore, ce qui a permis

Chapitre 1. L’´

elastographie : une nouvelle technique de caract´

erisation tissulaire

l’application de la technique in vivo. En ´

elastographie impulsionnelle, la vitesse de l’onde

de cisaillement puis le module d’Young sont calcul´

es `

a partir des images des d´

eformations

grˆ

ace `

a des techniques de temps de vol. Dans son impl´

ementation 1D, l’´

elastographie

im-pulsionnelle est une technique param´

etrique qui fournit une valeur moyenne du module

d’Young sur une r´

egion d’int´

erˆ

et. Plusieurs applications ont ´

et´

e propos´

ees, notamment en

h´

epatologie (Sandrin et al.

_{) pour quantifier la fibrose h´}

_{epatique. Une impl´}

_ementation

bidimensionnelle de la technique permettant d’obtenir une cartographie de l’´

elasticit´

e des

tissus a ´

egalement ´

et´

e mise au point par Sandrin et al.

et test´

ee pour la d´

etection des

tumeurs du sein in vivo (Bercoff et al.

_).

Elastographie par force de radiation ultrasonore

En vibroacoustographie, technique d´

evelopp´

ee `

a la Mayo Clinic par Fatemi et

Green-leaf

, une force de radiation oscillatoire est g´

en´

er´

ee par l’interaction de deux faisceaux

ultrasonores de fr´

equences l´

eg`

erement diff´

erentes. Les particules ainsi mises en vibration

g´

en`

erent un champ acoustique enregistr´

e par un hydrophone. En faisant varier la fr´

equence

de l’excitation et en effectuant un balayage spatial, il est possible d’obtenir un

spectro-gramme de la zone d’int´

erˆ

et. Cette technique ne permet pas de calculer le module d’Young

mais l’amplitude et la phase des vibrations enregistr´

ees sont li´

ees aux propri´

et´

es m´

eca-niques des tissus explor´

es (Fig. 1.5). Pislaru et al.

ont appliqu´

e cette m´

ethode in vivo

pour visualiser des calcifications dans des art`

eres de porc et Mitri et al.

ont utilis´

e la

vibroacoustographie pour imager in vitro des prostates trait´

ees par cryoth´

erapie.

Sous l’appellation d’Harmonic Motion Imaging, Konofagou et Hynynen

ont r´

ecemment

propos´

e une variante de la vibroacoustographie dans laquelle le champ acoustique g´

en´

er´

e

par la force de radiation oscillatoire n’est plus mesur´

e avec un hydrophone mais avec une

sonde ultrasonore distincte.

En 1998, Sarvazyan et al.

ont propos´

e une nouvelle technique, appel´

ee Shear Wave

Elasticity Imaging (SWEI), permettant de caract´

eriser les propri´

et´

es m´

ecaniques des

tis-sus par l’utilisation d’ondes de cisaillement g´

en´

er´

ees par force de radiation ultrasonore.

Depuis, plusieurs groupes travaillent dans le domaine de l’´

elastographie par force de

radia-tion, notamment l’´

equipe de Kathryn Nightingale et Gregg Trahey `

a l’universit´

e de Duke

et l’´

equipe de Mathias Fink `

a l’universit´

e de Paris VII.

L’imagerie par ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse), mise au point par Nightingale

et al.

permet de g´

en´

erer une force de radiation ultrasonore localis´

ee dans les tissus en

utilisant un ´

echographe conventionnel. Une mˆ

eme barrette ultrasonore est utilis´

ee pour

g´

en´

erer la force de radiation et pour acqu´

erir les signaux RF permettant de calculer les

d´

eplacements des tissus. A partir de l’image des d´

eplacements, un algorithme de type

temps de vol (Lateral Time to Peak algorithm

) permet de calculer le module de

ci-saillement des tissus. De nombreuses ´

etudes de faisabilit´

e ont montr´

e l’int´

erˆ

et potentiel de

l’ARFI pour des applications cliniques. L’imagerie par ARFI a par exemple ´

et´

e appliqu´

ee

in vivo au biceps, `

a la thyro¨ıde, au sein (Nightingale et al.

), `

a l’abdomen (Palmeri

et al.

, Fahey et al.

). La figure 1.6 montre une image ARFI de l’abdomen permettant

de distinguer le foie du rein en fonction de l’amplitude des d´

eplacements mesur´

es. Fahey

et al.

ont montr´

e qu’il ´

etait possible d’utiliser l’ARFI pour le monitorage de l’ablation

par radiofr´

equence du myocarde et Trahey et al.

ont appliqu´

e la technique `

a l’´

etude

des propri´

et´

es m´

ecaniques des art`

eres.