L’élastographie, un vaste domaine de recherche

L’élastographie, un vaste domaine de recherche

Depuis les années 1970, l’échographie ultrasonore s’est imposée peu à peu comme une technique d’imagerie incontournable. Elle permet d’obtenir en temps réel, 20 à 50 fois par seconde, une image des organes du corps humain. Cette dernière, codée en niveau de gris, est créée à partir des ruptures d’impédance acoustique des tissus biologiques. Ainsi, il est possible de visualiser le contour de différents organes ou encore de suivre les écoulements sanguins par effet Doppler. Cet outil est donc très important pour le médecin car il permet d’obtenir une vision qualitative, quantitative et fonctionnelle de l’intérieur du corps humain. Mais ces observations ne permettent pas toujours de distinguer clairement certaines zones d’intérêt, comme par exemple un nodule cancéreux dans le sein. Or il est connu depuis très longtemps  , que la présence de tumeurs peut être évaluée par la palpation du médecin. En effet, lors de son examen, le médecin ressent de manière intuitive l’élasticité des tissus. C’est pourquoi, au début des années 1980, plusieurs scientifiques ont cherché à compléterl’approche échographique par d’autres techniques. R. Dickinson  en 1981, a l’idée de quantifier les vibrations naturelles du corps. Il met au point une technique de corrélation des signaux ultrasonores afin de quantifier l’amplitude et la fréquence de ces mouvements. Il suggère alors une relation entre l’élasticité des organes étudiés et leurs déplacements naturels. Deux ans plus tard, A. Eisencher  exploite le premier la propagation d’ondes élastiques. Son idée pionnière est de remplacer les vibrations naturelles du corps par des vibrations mécaniques contrôlées. Sa méthode, qu’il appelle échosismographie, consiste à combiner l’échographie classique avec l’utilisation d’un vibreur extérieur. De cette manière, il montre qu’il est possible d’interpréter qualitativement les images obtenues par cette technique pour déterminer des zones d’élasticités différentes. Sur la Fig. 1, nous présentons une des premières échosismographies du sein. Les vibrations appliquées sont distinguables sur l’échographie. L’analyse de leur amplitude permet avec une certaine expérience de déterminer la présence de lésions tumorales (indiquées par une flèche blanche sur la figure présentée). De ce fait, A. Eisencher montre qu’il est possible par cette technique de distinguer la présence de nodules durs des tissus sains environnants. C’est un précurseur dans le domaine de l’élastographie dynamique.

Elastographie statique

Par palpation, le médecin détermine qualitativement l’élasticité du corps humain et détecte la présence de corps plus ou moins durs. Il ressent les déformations induites dans le milieu lorsqu’il applique une contrainte avec ses doigts à la surface du corps.

Les autres composantes du tenseur des déformations sont nulles.  nous voyons que la contrainte unidirectionnelle est reliée aux déformations dans la même direction par le module d’Young. Mais elle est aussi reliée aux déformations sur les axes perpendiculaires à la contrainte par le rapport du module d’Young et du coefficient de Poisson. Donc tel que le définissent les rhéologues, les propriétés élastiques du milieu étudié  sont caractérisées en toute rigueur par deux coefficients indépendants, le coefficient de Poisson ν et le module d’Young E. Or, dans les tissus biologiques quasi-incompressibles, la valeur de ν est proche de 0,5 et la mesure des déformations ultrasonores n’atteint la précision requise pour quantifier le module ν. En revanche, le module d’Young peut être mesuré directement par l’application d’une contrainte unidirectionnelle. C’est l’idée directrice de l’élastographie statique proposée par J. Ophir.

Sur ce principe il réalise in vitro les premières images qualitatives d’élasticité à partir d’un échographe  . La technique consiste à appliquer aux tissus une compression statique uniforme (1 à 2 %) et à utiliser l’image ultrasonore du milieu pré et post-compression afin d’estimer localement le déplacement axial induit dans les tissus. Le champ de déplacements est calculé à partir d’un algorithme d’intercorrélation entre les différents signaux ultrasonores. Cet algorithme est expliqué en annexe et est à la base des calculs des champs de déplacements présentés dans ce mémoire. A partir du champ de déplacements axial, il obtient le champ de déformations par dérivation par rapport à la profondeur. L’image codée en niveau de gris est appelée élastogramme. Rappelons que l’élastogramme obtenu n’est pas une image du module d’Young du milieu, car l’hypothèse de contrainte uniforme à l’intérieur du milieu n’est pas toujours vraie. Cependant il est possible de voir apparaître sur les élastogrammes des lésions dures ou molles invisibles en échographie classique. Nous représentons sur la figure suivante, une étude réalisée sur le sein in vivo par E. Konofagou  de l’équipe de J. Ophir.

Sur la colonne de gauche sont représentées deux échographies ultrasonores de sein en présence d’un nodule cancéreux. Nous distinguons mal le contour des tumeurs et les élastogrammes ne révèlent pas mieux la position des tumeurs. Les applications in vivo de cette technique sont limitées. Même dans le cas du sein sur lequel une contrainte unidirectionnelle peut être appliquée, les élastogrammes apparaissent bruités car, encore une fois, la contrainte statique appliquée n’est en réalité pas uniforme. Ce problème est encore plus important dans le cas d’organes internes, comme la prostate par exemple .

L’élastographie statique, malgré quelques difficultés d’applications in vivo, possède l’avantage d’être compatible avec le matériel échographique. Par contre dans le cas d’organes internes, son utilisation semble peu envisageable, car l’application d’une contrainte uniforme statique sur l’ensemble de la zone imagée est impossible à mettre en œuvre. C’est un inconvénient que l’élastographie dynamique ne présente pas.

Elastographie dynamique

Parallèlement à l’élastographie statique, d’autres techniques de quantification de l’élasticité fondées sur la propagation mécanique d’ondes de cisaillement ont été développées. C’est T. Krouskop  qui en 1987, effectue les premières mesures quantifiées de l’élasticité in  vivo sur les moignons de personnes amputées de la jambe. Dans son expérience, un vibreur sollicite les muscles de la cuisse à la fréquence de 10 Hz. Les déplacements induits par la propagation d’ondes de cisaillement sont mesurés par effet Doppler à l’aide d’un transducteur ultrasonore. La technique se fonde sur le fait que le décalage fréquentiel obtenu par effet Doppler est proportionnel à l’amplitude des déplacements. Puis, en appliquant un modèle viscoélastique simple, il retrouve l’élasticité des tissus. C’est la première expérience in vivo de ce qui s’appellera plus tard la sonoélastographie.

Sonoélastographie

Le terme « sonoélastographie » désigne la méthode qui couple à la fois les vibrations mécaniques et le système d’imagerie ultrasonore Doppler. La première approche de cette méthode est développée par R. Lerner et K. Parker . Selon eux l’élasticité du milieu est directement reliée à l’amplitude des déplacements. Ils émettent l’hypothèse que les zones dures se révèlent par une amplitude faible et les zones molles par une amplitude élevée. Ils publient la première image donnant l’amplitude des déplacements engendrés par une sollicitation mécanique .

Cette image de faible résolution montre la présence d’inclusions dures à l’intérieur d’une éponge. En niveau de gris apparaissent des zones plus ou moins sombres qu’ils relient implicitement à l’élasticité du matériau. Plus la zone est sombre plus l’élasticité est élevée et l’amplitude des vibrations faible. Cependant, dans leur approche simplifiée du problème, les phénomènes de propagation liés aux effets de diffraction, de dissipation ou encore d’ondes stationnaires ne sont pas pris en compte. Il est alors difficile de caractériser par cette technique l’élasticité de tissus biologiques, comme les muscles par exemple.

Table des matières

Introduction.
Chapitre I – L’élastographie, un vaste domaine de recherche.
I. Elastographie statique.
II. Elastographie dynamique.
II.A. Sonoélastographie.
II.B. Elastographie par résonance magnétique.
II.C. Elastographie impulsionnelle.
II.C.1. Déplacements induits par une impulsion acoustique.
II.C.2. La palpeur acoustique.
II.C.3. L’imageur ultrasonore ultrarapide.
III. Conclusion.
Chapitre II – Anisotropie en élastographie impulsionnelle 1D.
I. Théorie des ondes élastiques en milieu transverse isotrope.
I.A. Cas général.
I.B. La polarisation des ondes de cisaillement.
II. Résultats expérimentaux.
II.A. Expérience in vitro.
II.B. Expérience in vivo.
III. Conclusion de ce chapitre.
Chapitre III – De l’anisotropie à la non linéarité.
I. Théorie de l’acoustoélasticité.
I.A. Formulation générale.
I.B. Validation de l’utilisation du palpeur acoustique.
II. Expérience sur un gel d’Agar-gélatine.
II.A. Montage expérimental.
II.B. Résultats et discussion.
III. Conclusion.
Chapitre IV – Onde transverse choquée.
I. Propagation non linéaire dans les solides : rappel théorique.
I.A. Ondes longitudinales d’amplitude finie.
I.B. Ondes transverse d’amplitude finie.
II. Observation expérimentale d’ondes transverses choquées.
II.A. Montage expérimental.
II.B. Résultats et discussion.
II.B.1. Evolution des harmoniques.
II.B.2. Un paramètre important : la viscosité.
III. Cas général : l’onde de cisaillement non plane.
IV. Conclusion de ce chapitre.
Chapitre V – Applications du palpeur acoustique.
I. Etude de l’élasticité du biceps durant la contraction musculaire.
I.A. Le protocole expérimental
I.A.1. Sujets et matériels.
I.A.2. Protocole.
I.A.3. Résultats bruts.
I.B. La problème inverse.
I.C. Résultats expérimentaux.
I.D. Discussion.
I.E. Conclusion.
II. Application à la mesure d’élasticité de la peau.
II.A. Transposition du problème.
II.A.1. Une nouvelle source de cisaillement l’anneau.
II.A.2. Un nouveau palpeur acoustique pour la peau.
II.A.3. Les limites de l’élastographie impulsionnelle.
II.A.4. Validation de la sonoélastographie par simulation.
II.B. Validation expérimentale du procédé.
II.B.1. Expérience sur des fantôme de peau.
II.B.2. Comparaison avec l’élastographie impulsionnelle.
II.B.3. Répétitivité et calcul d’erreur du paramètre d’élasticité.
II.B.4. Comparaison entre différents fantômes.
II.B.5. Expériences in vivo.
II.C. Etude in vivo en collaboration avec l’Oréal.
II.D. Conclusion.
III. Conclusion de ce chapitre.
Conclusion
Annexes

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