Physique des Ondes pour la Médecine

Mathieu Pernot

Institut Langevin, ESPCI, CNRS UMR 7587, Inserm U979

Fibroadénome Carcinome

Grade II

Kyste visqueux

Une limitation de l’imagerie ultrasonore clinique

Bénin BéninMalin

L’échographie manque de spécificité

Tanter M, Bercoff J, Athanasiou A, et al. Ultrasound in Medicine and Biology, 34(9), 1373-1386 ,Sep. 2008

2 autres coefficients mécaniques sont très utilisés pour définir l’élasticité d’un solide

K module de compression volumiquepratiquement constant, de l’ordre 109

Pa, quasi incompressible

µ module de cisaillement, très hétérogène, dépend beaucoup de la pathologie, entre 10 2 et 10 7 Pa

K >> m

K

m

E 3 µ

E = s

ee

s

Un module : le module d’Young EE

Palpation, Matière Molle et Elasticité

µ

µ

-

-=

K

Km

43

Les ondes de compression se propagent à

Les ondes de cisaillement à

m=sc

KcP ( 1500 m.s-1)

( 1-10 m.s-1)

Deux types d’ondes qui se propagent à des vitesses complètement

différentes !!

Les ultrasons se propagent uniquement sous la forme d’ondes de compression

Les ondes de cisaillement ne se propagent qu’aux basses fréquences < 2000 Hz

Heart

Le « vent »

ultrasonore

Sismologie du corps humain

Sonde

Ultrasonore

Zone Imagée

x

z

Focal zone

Force

),(),( 2

2trp

ctrF

=

La palpation à distance par force de Radiation

« Bouffées » ultrasonores de 100 µs

Génération d’ondes de cisaillement basse fréquence (kHz) en

utilisant des Ultrasons haute fréquence

Théorie de la force de radiation par Langevin

ESPCI, 1910

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

Imagerie échographique ultrarapide

Processing

Imagerie échographique ultrarapide

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

Processing

Imagerie échographique ultrarapide

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

Processing

Imagerie échographique ultrarapide

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

Processing

Imagerie échographique ultrarapide

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

Processing Parallel Processing

RAM

128 émission pour une image

100 images/s

1 émission pour une image

10,000 images/s

Imagerie échographique ultrarapide

Imagerie échographique

conventionnelleImagerie ultrarapide

~ 100 µs

Step 1

Shear wave generation by

remote palpation

Plane wave insonification at

some kHz

Texp=20 ms~ 0.3 ms

Step 2

Ultrafast imaging

Sismologie du corps humain avec une simple sonde échographique

J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink.

IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics And Frequency Control., Vol 51(4), pp 396-409, April 2004.

Combinaison de l’imagerie ultrarapide et de la force de radiation

Imagerie Ultrarapide de l’onde de cisaillement

10000 images/seconde dans un fantôme

de tissu biologique

Correlation d’image à image

M. Fink, M. Tanter, “Multiwave Imaging and Superresolution”

Physics Today, 63(2), 28-33, Feb. 2010

J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink.

IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics And Frequency Control., Vol 51(4), pp 396-409, April 2004.

J. Bercoff, M. Tanter, M. Fink

Applied Physics Letters, 84(12), pp 2202-2204, March 2004

6 m/s

2 m/s

Transducer

Une expérience complète en quelques millisecondes

Echo. conventionnelle temps

0 s 1 s

Sonde échographique

Une expérience de 20 ms !!

Ultrafast

m/s or kPa

• “Main libre” / ne change pas l’examen échographique

• Quantitatif

• La palpation est Operateur indépendante = reproductible

• Ultrarapide / Insensible aux artéfacts de mouvements

Tanter M, Bercoff J, Athanasiou A, et al. Ultrasound in Medicine and Biology, 34(9), 1373-1386 ,Sep. 2008

Le concept de “Shear Wave Elastography”

lésion dure contenant

une zone centrale liquide

Elasticity

contrast

Axial Res

(mm)

Lateral Res

(mm)

2 1 1.1

3 1.2 1.2

10 1.3 1.1

RésolutionLatérale

RésolutionAxiale

Le SWE (Shear Wave Elastography) surpasse la palpation manuelle

Pourquoi une telle super-résolution ?

Shear Wavelength : typiquement 10 mm

Shear Modulus Image Resolution : typiquement 1 mm (lUS)

Réseau ultrasonore

Plusieurs

centaines

de lUS

Plusieurs dizaines de lshear

Signaux Ultrasonores correspondant

aux deux pixels rouges

Imagerie de champ proche dans le champ lointain de la source

La superrésolution vient de l’imagerie “Multi-ondes”

Onde n°1

Onde n°2

Mauvaise Résolution spatiale

Contraste intéressant pour le Diagnostic

Bonne résolution spatiale

Contraste peu intéressant

Interactions Avec

M. Fink, M. Tanter « Multi-Wave Imaging and Superresolution »

Physics Today, Feb.2010

D’un prototype de laboratoire à un système clinique

Aixplorer ©,2008

1996-2002 2004-2005

(CE and FDA marked)

Un nouveau paradigme en échographie

1980 1990 1995 2010

Evolution de la technologie ultrasonore

Multicore CPU

GPU

Real time imaging

Doppler imaging CompoundHarmonic

Portable devices

Ultrafast Imaging

20102000199019801970

DSP Low cost A/D

Innovation

Technology enabler

Broadband Transducers

Microprocessor Miniaturization

Une rupture technologique : élastographie quantitative temps réel

Preuve de concept : 2000-2002

45 Minutes processing

SSI Prototype 2006

qqs secondes processing

Octobre 2007

0.2 seconds processing

Un bel exemple de la loi de Moore

Un impact clinique réel et prouvé sur de larges cohortes

Un impact clinique réel et prouvé sur de larges cohortes

Estimation de fibrose hépatique par SWE

-

Bavu E., Gennisson J.-L., Couade, M. Bercoff j., Mallet V., Fink M. Vallet-Pichard A., Nalpas B., Tanter M., Pol S.

Ultrasound in Medicine and Biology, 2011

Etude préliminaire sur 113 HCV patients

Imagerie temps réel : Vers un guidage des biopsies …

Pr. Jean Michel Correas, Hopital Necker

In vivo Acquisition on a 27 Years old Volunteer

Dynamique de la rigidité artérielle sur un cycle cardiaque unique !

M. Pernot et al.

Athérosclérose, fibrodysplasie,

fibrose du myocarde …

- Cadence~5000 à 10000 Hz

- 10 films acquis

- Par cycle cardiaque

Coll. E. Messas, Hopital Europeen G. Pompidou, Paris

Imagerie de la carotide in vivo chez l’homme

Dynamique de la Contraction des muscles du mollet

Gastrocnemius

Contraction

Soleus

Contraction

Shinohara S., Sabra K., Genisson J.-L., Fink M., Tanter M.

"Real-time visualization of muscle stiffness distribution with ultrasound SWI during muscle contractions », Muscle and Nerve, June 2010

Coll. M. Shinohara, K. sabra,

Georgia Tech. University, Usa

Changements de dureté du myocarde in vivo (Modèle brebis)

M. Couade, M. Pernot, P. Matteo, B. Crozatier, R. Fischmeister and M. Tanter

Ultr. Med. Biol., Oct. 2010

5000 images/s

Pernot M, Matteo P., Couade M., Crozatier B., Fischmeister R., Tanter M.

Journal of the American College of Cardiology , 2011

« Elastic Tensor Imaging » :

Un analogue ultrasonore de

l’imagerie du tenseur de diffusion par IRM ?

W.-N. Lee et al, Elastic tensor imaging with ultrasound: comparison with MR Diffusion Tensor Imaging in the myocardium

Physics in Medicine and Biology, 2012

Axial plane Radial plane

Quantification in vivo de l’anisotropie élastique du biceps

Biceps Brachii

θ

: direction de propagation de l’onde

: Coordonnées des fibres

x1

x2

x3

Deffieux, T.; Gennisson, J.-L.; Tanter, M. & Fink, M. (2008), Ieee Trans. On Ultr. Ferr.and Freq. Ctrl 55(10), 2177--2190.

Gennisson, J.-L.; Deffieux, T.; Mace, E.; Montaldo, G.; Fink, M. & Tanter, M. (2010), Ultrasound In Medicine and Biology 36(5), 789--801.

Shinohara, M.; Sabra, K.; Gennisson, J.-L.; Fink, M. & Tanter, M. (2010), Muscle & Nerve 42(3), 438--441.

-90 -45 0 45 902

2.5

3

3.5

4

4.5

5

v (

m/s

)

(degrees)

//v

v

1009080706050403020100

7o

-32o-24o-15o

-37o

-1o

-42o

14o 21

o 42

o 49o 57

o 67o 72

o

1009080706050403020100

-6o

-41o

-13o

-49o

-34o

1o 14o 21

o 33

o 45o 60

o 63o

Tractographie par

Elastic Tensor Imaging

Ultrasons

Tractographie par

Diffusion Tensor Imaging

IRM

Orientation des fibres myocardiques

W.-N. Lee et al, Elastic tensor imaging with ultrasound: comparison with MR Diffusion Tensor Imaging in the myocardium

Physics in Medicine and Biology, 2012

Vers l’imagerie ultrasonore 4D ultrarapide

1024 channels

programmable

ultrafast scanner

32x32 matrix

transducer

Nouvelles applications de

l’imagerie ultrasonore ultrarapide

Imager les artères à très haute cadence (2000 images/s)

Propagation de l’onde de pouls (5 - 20 m/s)

Imagerie cardiaque ultrarapide des ondes électromécaniques

Coeur in vivo

(Imagerie ultrarapide d’un cycle cardiaque unique)

Phased Array, fc = 3.3 MHz

Champ de vue 8 cm

1600 images par seconde

Hiroshi Kanai: "Propagation of Vibration Caused by Electrical Excitation

in the Normal Human Heart" Ultrasound in Medicine & Biology Vol. 35,

No. 6, pp. 936-948 (June 2009)

Ultrafast imaging of the heart using circular wave synthetic imaging with phased arrays

Couade M. et al. IEEE Ultrasonics Symposium, pp 515-518, 2009.

Imagerie ultrarapide Doppler des flux sanguins

200 ms

1

-1

15 samples

200 ms

Doppler signal sD0.1

-0.1

Conventional DopplerdttsI D= )(2

0.1

-0.1

Doppler signal sD

200 ms

1

-1

200 samples

200 ms

µDopplerdttsI D= )(2

High pass filter

Power Doppler

Power

Doppler

-30

-20

-10

0

I

(dB)

-30

-20

-10

0

I

(dB)

lower noise

longer signal

High pass filter15 MHz

15 MHz

compound images

Imagerie Ultrarapide : vers le µDoppler

E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter

Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011

E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter

Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011

Coronal

Sagittal

Local

Cerebral

blood

volume

Angiographie ultrasonore de la vascularisation chez le rat

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

600

Ultrafast Doppler : Sensibilité de l’imagerie de flux x 50 !!!

Coll. Equipe de Ivan Cohen, Inserm,

Pitié Salpêtrière, Paris

Angiographie 3D ultrasonore de la vascularisation cérébrale

Un modèle classique d’activation cérébrale

Stimulus

Flux sanguin

Concentration

O2

Potential

électrique

Neurones Microvaisseaux

Première Imagerie cerveau entier de crises d’épilepsie

-25

0

25

50

CBV

changes

(%)

E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter, Nature Methods, July 2011

fUltrasound chez l’animal éveillé et libre de mouvement

Dr. Ivan Cohen, Inserm, Pitié Salpêtrière, Paris

GAERS (Genetic Absence Epilectic rats from Strasbourg)

model of recurrent generalized non-convulsive seizures

- Pas d’anesthésie

-Compréhension fond.

de la dynamique de crise

- Monitoring continu

Video + EEG

+ fUltrasound

Chez l’animal éveillé

fUltrasound clinique ?

Collaboration

Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris

C. Demené, O. Baud, V. Biran, M. Pernot & M. Tanter

Imagerie transfontanellaire chez les prématurés

Corpus callosum

Thalamus

Cortex

Cerebellum

Medulla

Collaboration

Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris

C. Demené, O. Baud, V. Biran, M. Alison

M. Pernot and M. Tanter

mm

mm

Ultrafast Doppler Image

0 5 10 15 20 25 30 35

5

10

15

20

25

30

35