Modélisation et compensation des déformations mécaniques des tissus dues à la pression d’une sonde échographique

Dahmani, Jawad (2023). Modélisation et compensation des déformations mécaniques des tissus dues à la pression d’une sonde échographique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’acquisition d’images échographiques de bonne qualité suppose un bon couplage acoustique entre la sonde échographique et la peau du patient. En pratique, ce bon couplage est atteint par l’opérateur en appliquant une force sur la peau à travers la sonde, permettant ainsi de chasser toute éventuelle couche d’air. Cette force a pour effet de déformer les tissus sous-jacents à la sonde. Les images échographiques ainsi acquises représentent des tissus déformés. Dans le cas de certaines applications, telles qu’un diagnostic réalisé sur une image 2D ou un simple contrôle du fœtus comme en gynécologie, cette déformation des tissus ne porte pas préjudice à l’information pertinente utilisée par l’opérateur. Cependant pour d’autres applications, ces déformations peuvent entraver la qualité de l’information pertinente pour l’opérateur. C’est le cas par exemple en échographie 3D à main levée qui consiste à déplacer une sonde conventionnelle à travers une zone d’intérêt, puis à concaténer toutes les images acquises pour reconstruire un volume échographique. En effet tout au long du déplacement de la sonde, les différentes images ont été acquises avec une force sonde/peau variable, induisant des déformations différentes d’une image à l’autre. Cette différence de déformation des tissus d’un emplacement à l’autre engendre des discontinuités d’une image à l’autre lors de la reconstruction 3D créant ainsi des artefacts. Ces artéfacts détériorent la qualité du volume échographique, limitant son spectre d’utilisation.

L’objectif principal de ce doctorat est de compenser les déformations induites par la force de contact entre la sonde et la peau durant l’acquisition au niveau des images échographiques. Cette correction permettrait donc d’obtenir le volume échographique exempt des déformations qui aurait été acquis avec une force nulle, soit sans contact entre la sonde et la peau, ou bien avec une force uniforme. Pour répondre à cet objectif, nous avons développé deux méthodes de compensation des déformations se basant sur la construction d’un modèle biomécanique. Le principe général de ces deux méthodes consiste à construire un modèle biomécanique 2D représentant la mécanique des tissus mous impliqués dans l’image, puis à estimer un champ de déplacement réaliste subi par les tissus suite à l’indentation d’une sonde échographique. Le champ de déplacement inverse est alors appliqué à l’image déformée pour compenser la déformation de l’image. Les deux méthodes consistent à optimiser deux paramètres clés d’un modèle biomécanique par éléments finis, qui sont l’indentation de la sonde, et le ratio d’élasticité. Pour la première méthode guidée par le score de similarité, il s’agit d’optimiser ces deux paramètres de sorte à maximiser l’intercorrélation normalisée entre l’image déformée par la sonde et l’image de référence. La deuxième méthode consiste quant à elle d’optimiser ces deux paramètres pour minimiser la différence entre le champ de déplacement estimé par le modèle et celui estimé par une méthode de recalage basée sur l’image. Ces deux méthodes ont été validées sur des images simulées, ainsi que des images expérimentales. Les performances de ces méthodes ont été évaluées et comparées à une méthode de correction des déformations basée sur l’image. Les deux méthodes permettent bien de corriger la forme de l’inclusion déformée dans l’image. La distance euclidienne entre le contour de l’image de référence et le contour de l’image corrigée est inférieur à 1.8 mm, ce qui témoigne d’une bonne qualité de correction.

Un autre axe de recherche découlant directement du besoin de validation expérimentale concerne la conception d’un fantôme à ultrasons. En effet, nous avons développé une recette de préparation d’un fantôme utilisant un modèle prédictif de l'élasticité en fonction de deux paramètres facilement contrôlables : la concentration en gélatine et la durée de réfrigération. Le fantôme permet de reproduire plusieurs tissus biologiques sains et pathologiques avec une gamme de modules de Young entre 15kPa et 100 kPa. Les paramètres acoustiques (vitesse du son et impédance acoustique) ont également été étudiés et sont comparables à ceux des tissus biologiques.

Titre traduit

Modeling and compensation of mechanical deformations due to ultrasound probe pressure

Résumé traduit

The acquisition of good quality ultrasound images requires good acoustic coupling between the ultrasound probe and the patient's skin. In practice, this good coupling is achieved by the operator by applying a force to the skin through the probe, thus removing any possible layer of air between the probe and the skin. This force has the effect of deforming the tissues underlying the probe. The ultrasound images thus acquired represent deformed tissues. In the case of certain applications, such as a diagnosis carried out on a 2D image or a simple check of the fetus as in gynecology, this deformation of the tissues does not affect the relevant information used by the operator. However, for other applications, these deformations can hinder the quality of the relevant information for the operator. This is the case, for example, in free-hand 3D ultrasound, which consists of moving a conventional probe through an area of interest, then concatenating all the images acquired to reconstruct an ultrasound volume. Indeed, throughout the movement of the probe, the different images were acquired with a variable probe/skin force, inducing different deformations from one image to another. This difference in tissue deformation from one location to another generates discontinuities from one image to another during the 3D reconstruction, thus creating artifacts. These artifacts deteriorate the quality of the ultrasound image, limiting its spectrum of use. The main objective of this doctorate is to compensate for the deformations induced by the contact force between the probe and the skin during the acquisition of ultrasound images. This correction would therefore allow to obtain an ultrasound volume free of deformations, and which would have been acquired with zero force, either without contact between the probe and the skin, or with a uniform force.

To meet this objective, we have developed two deformation compensation methods based on the construction of a biomechanical model. The general principle of these two methods consists in building a 2D biomechanical model representing the mechanics of the soft tissues involved in the image, then in estimating a field of realistic displacement undergone by the tissues following the indentation of an ultrasound probe. The inverse displacement field is then applied to the distorted image to compensate for the image distortion. Both methods consist in optimizing two key parameters of a finite element biomechanical model, which are the indentation of the probe, and the elasticity ratio. For the first method guided by the similarity score, the aim is to optimize these two parameters to maximize the normalized intercorrelation between the deformed image and a reference image. The second method consists in optimizing these two parameters to minimize the difference between the displacement field estimated by the model and that estimated by an image-based registration method. These two methods have been validated on simulated images, as well as experimental images. The performance of these methods was evaluated and compared to an image-based deformation correction method.

Another line of research arising directly from the need for experimental validation concerns the design of an ultrasonic phantom. Indeed, this work provide a model to predict the elastic modulus of a soft tissue-mimicking phantom based on two very easily controllable parameters: gelatin concentration and refrigeration duration. The tissue-mimicking phantom is made following a low-cost and simple fabrication procedure using commercial household ingredients. A large range of elastic properties can be obtained (15-100kPa) with the proposed recipe.

In conclusion, this work allowed the evaluation of three methods of to correct deformations due to the pressure of the ultrasound probe, but also provided a simple, fast and inexpensive recipe to fabricate phantoms mimicking biological soft tissues reproducing a targeted modulus of elasticity with a high level of confidence.

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 électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 185-197).
Mots-clés libres:	ultrason, modélisation mécanique, recalage, déformation des tissus, pression de la sonde, fantôme à ultrasons
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Laporte, Catherine
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 mars 2023 13:11
Dernière modification:	30 mars 2023 13:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3204

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