Caractérisation de la vascularisation de la moelle épinière par un algorithme d'ondes planes pour l'imagerie ultrasonore Doppler

Lemonnier, David (2018). Caractérisation de la vascularisation de la moelle épinière par un algorithme d'ondes planes pour l'imagerie ultrasonore Doppler. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pour les chirurgiens orthopédiques, une des principales difficultés est d’évaluer l’état de la moelle épinière lors de chirurgies. La condition vasculaire est un paramètre représentatif de la fonctionnalité de la moelle et des conditions initiales d’une blessure médullaire. L’imagerie ultrasonore est particulièrement adaptée à une utilisation intra-opératoire. Cependant, les algorithmes présents dans les appareils cliniques actuels ne possèdent pas une résolution spatiale suffisante pour décrire les vaisseaux sanguins de petit diamètre. Une séquence d’imagerie ultrasonore Doppler par ondes planes a été proposée récemment dans la littérature, qui améliore la détection des vaisseaux sanguins, et plus spécifiquement, ceux de petit diamètre. Cette étude vise à adapter cette séquence d’imagerie à la moelle épinière. Les algorithmes d’imagerie par ondes focalisées conventionnel et par ondes planes ont été ajustés en se basant sur une fréquence d’échantillonnage équivalente du signal Doppler, afin d’obtenir un intervalle de vitesses d’écoulement quantifiable semblable. Pour un délai d’émission des ondes identiques, une quantité de données Doppler de l’ordre de 13 fois plus importante est obtenue avec la séquence par ondes planes.

Dans un premier temps, la quantification de paramètres associés à la vascularisation a été réalisée à partir de fantômes représentatifs des vaisseaux médullaires, et les résultats obtenus à partir des deux séquences d’imagerie ont été comparés. En particulier, pour l’imagerie Doppler par ondes planes, les expérimentations menées au cours de ce projet indiquent une amelioration du rapport signal-sur-bruit pouvant atteindre 18 dB, ainsi qu’une estimation plus précise des vitesses et des diamètres de l’écoulement. Pour trois configurations de fantômes différentes, l’écart moyen lors de la quantification des débits en comparaison avec les valeurs théoriques était de 25%, alors que les valeurs étaient presque doublées avec l’algorithme par ondes focalisées. Dans un second temps, l’application de l’imagerie ultrasonore avec l’ajout d’un produit de contraste sur une moelle épinière de cochon in vivo a confirmé ces résultats. Une synchronization de l’émission des ondes avec le cycle cardiaque a permis de s’affranchir des variations avec ce paramètre. De plus, l’ajout d’un délai entre deux séquences d’émission a conduit d’une part à une destruction plus lente des micro-bulles, et a d’autre part laissé le temps au produit de contraste de remplir de nouveau les vaisseaux intra-médullaires. Un plus grand nombre de vaisseaux sanguins était détecté lors de l’application de la séquence d’imagerie Doppler par ondes planes. Plus spécifiquement, les veines et les artères spinales étaient visualisées, ainsi que certains vaisseaux intra-médullaires. L’introduction d’une blessure par lâcher de poids dans le protocole expérimental a par ailleurs permis d’évaluer l’étendue de la région vasculaire endommagée.

L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce projet de recherche indique que l’algorithme d’imagerie ultrasonore Doppler par ondes planes apporte une amélioration significative dans la caractérisation de vaisseaux représentatifs de la vascularisation de la moelle épinière et permet de quantifier plus précisément les paramètres associés. Ces observations pourront être plus finement détaillées par l’utilisation de fréquences d’émission des ondes plus élevées ou par l’application d’un algorithme de reconstruction non-linéaire suite à l’injection de produit de contraste. Ces observations suggèrent qu’une séquence d’imagerie ultrasonore Doppler par ondes planes peut être utilisée pour caractériser et quantifier le débit sanguin médullaire. A long terme, une utilisation en salle d’opération pourrait apporter des informations complémentaires aux chirurgiens orthopédiques.

Titre traduit

Characterization of the spinal cord vascularization with a plane waves Doppler ultrasound imaging algorithm

Résumé traduit

For orthopedic surgeons, one of the main issues is to evaluate spinal cord condition during surgery. Its vascular condition is a representative parameter of its functional abilities, as well as the initial circumstances of injury. Ultrasound imaging is particularly adapted for an intraoperative use. However the algorithms contained in the current clinical devices do not have enough resolution to describe the blood vessels with very small diameters. This study aims to adapt a Doppler ultrasound plane wave imaging sequence to the spinal cord. The conventional focused wave and plane wave imaging algorithms were adjusted based on an equivalent sampling frequency of the Doppler signal, in order to reach a similar quantifiable flow velocity interval. For the same acquisition time, the amount of Doppler data is about 13 times higher with the plane wave sequence.

Firstly, the quantification of parameters associated with the vascularization was performed using medullar vessel phantoms, and the results obtained from the two imaging sequences were compared. More specifically, for plane wave Doppler imaging, the experiments carried out during this research project showed an improvement of the signal-to-noise ratio that can reach 18 dB, as well as a more precise estimation of the velocities and diameters associated to the flow. For three different phantom configurations, the mean difference in the flow estimates compared to the theoretical flows was 25%, while the values were almost twice the theoretical flow in the images reconstructed from the focused waves algorithm. Secondly, ultrasound imaging combined with the administration of a contrast agent applied on a porcine spinal cord in vivo confirmed the previous results. Synchronization of wave emission with the cardiac cycle prevented variations associated with this parameter. Moreover, the addition of a delay between two emission sequences led to a slower destruction of the contrast agent on the one hand, and on the other hand, allowed it to fill the intra-medullary vessels again. A larger number of blood vessels were detected after the application of the plane wave Doppler imaging sequence. More specifically, spinal veins and arteries were visualized, as well as some intra-medullary vessels. Furthermore, the addition of an injury using a dropped weight enabled evaluation of the extent of the spinal cord damage.

All of the results obtained during this research project show that the plane wave ultrasound Doppler algorithm leads to a significant improvement for the characterization of artificial blood vessels representative of the spinal cord vascularization, and more precisely measures the associated parameters. These conclusions could be more accurately detailed using higher emission frequencies or with the application of a non-linear image reconstruction algorithm following the contrast product administration. The results suggest that a plane wave Doppler ultrasound imaging sequence could be used to characterize and quantify the spinal cord blood flow. In the long term, a use in the operating room could provide additional information to the surgeons in order to evaluate the spinal cord’s vascular condition.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 133-146.
Mots-clés libres:	ultrasons, Doppler, ondes planes, moelle épinière, fantômes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Mac-Thiong, Jean-Marc
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	31 oct. 2018 14:50
Dernière modification:	31 oct. 2018 14:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2100

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