Study and optimization of 2D matrix arrays for 3D ultrasound imaging.
Étude et optimisation de sondes matricielles 2D pour l'imagerie ultrasonore 3D.
Résumé
3D Ultrasound imaging is a fast-growing medical imaging modality. In addition to its numerous advantages (low cost, non-ionizing beam, portability) it allows to represent the anatomical structures in their natural form that is always three-dimensional. The relatively slow mechanical scanning probes tend to be replaced by two-dimensional matrix arrays that are an extension in both lateral and elevation directions of the conventional 1D probe. This 2D positioning of the elements allows the ultrasonic beam steering in the whole space. Usually, the piezoelectric elements of a 2D array probe are aligned on a regular grid and spaced out of a distance (the pitch) subject to the space sampling law (inter-element distance must be shorter than a mid-wavelength) to limit the impact of grating lobes. This physical constraint leads to a multitude of small elements. The equivalent in 2D of a 1D probe of 128 elements contains 128x128 = 16,384 elements. Connecting such a high number of elements is a real technical challenge as the number of channels in current ultrasound scanners rarely exceeds 256. The proposed solutions to control this type of probe implement multiplexing or elements number reduction techniques, generally using random selection approaches (" sparse array "). These methods suffer from low signal to noise ratio due to the energy loss linked to the small number of active elements. In order to limit the loss of performance, optimization remains the best solution. The first contribution of this thesis is an extension of the " sparse array " technique combined with an optimization method based on the simulated annealing algorithm. The proposed optimization reduces the required active element number according to the expected characteristics of the ultrasound beam and permits limiting the energy loss compared to the initial dense array probe. The second contribution is a completely new approach adopting a non-grid positioning of the elements to remove the grating lobes and to overstep the spatial sampling constraint. This new strategy allows the use of larger elements leading to a small number of necessary elements for the same probe surface. The active surface of the array is maximized, which results in a greater output energy and thus a higher sensitivity. It also allows a greater scan sector as the grating lobes are very small relative to the main lobe. The random choice of the position of the elements and their apodization (or weighting coefficient) is optimized by the simulated annealing. The proposed methods are systematically compared to the dense array by performing simulations under realistic conditions. These simulations show a real potential of the developed techniques for 3D imaging. A 2D probe of 8x24 = 192 elements was manufactured by Vermon (Vermon SA, Tours, France) to test the proposed methods in an experimental setting. The comparison between simulation and experimental results validate the proposed methods and prove their feasibility.
L'imagerie échographique en trois dimensions (3D) est une modalité d'imagerie médicale en plein développement. En plus de ses nombreux avantages (faible cout, absence de rayonnement ionisant, portabilité) elle permet de représenter les structures anatomiques dans leur forme réelle qui est toujours 3D. Les sondes à balayage mécaniques, relativement lentes, tendent à être remplacées par des sondes bidimensionnelles ou matricielles qui sont un prolongement dans les deux directions, latérale et azimutale, de la sonde classique 1D. Cet agencement 2D permet un dépointage du faisceau ultrasonore et donc un balayage 3D de l'espace. Habituellement, les éléments piézoélectriques d'une sonde 2D sont alignés sur une grille et régulièrement espacés d'une distance (en anglais le " pitch ") soumise à la loi de l'échantillonnage spatial (distance inter-élément inférieure à la demi-longueur d'onde) pour limiter l'impact des lobes de réseau. Cette contrainte physique conduit à une multitude d'éléments de petite taille. L'équivalent en 2D d'une sonde 1D de 128 éléments contient 128x128=16 384 éléments. La connexion d'un nombre d'éléments aussi élevé constitue un véritable défi technique puisque le nombre de canaux dans un échographe actuel n'excède que rarement les 256. Les solutions proposées pour contrôler ce type de sonde mettent en oeuvre du multiplexage ou des techniques de réduction du nombre d'éléments, généralement basées sur une sélection aléatoire de ces éléments (" sparse array "). Ces méthodes souffrent du faible rapport signal à bruit du à la perte d'énergie qui leur est inhérente. Pour limiter ces pertes de performances, l'optimisation reste la solution la plus adaptée. La première contribution de cette thèse est une extension du " sparse array " combinée avec une méthode d'optimisation basée sur l'algorithme de recuit simulé. Cette optimisation permet de réduire le nombre nécessaire d'éléments à connecter en fonction des caractéristiques attendues du faisceau ultrasonore et de limiter la perte d'énergie comparée à la sonde complète de base. La deuxième contribution est une approche complètement nouvelle consistant à adopter un positionnement hors grille des éléments de la sonde matricielle permettant de supprimer les lobes de réseau et de s'affranchir de la condition d'échantillonnage spatial. Cette nouvelle stratégie permet d'utiliser des éléments de taille plus grande conduisant ainsi à un nombre d'éléments nécessaires beaucoup plus faible pour une même surface de sonde. La surface active de la sonde est maximisée, ce qui se traduit par une énergie plus importante et donc une meilleure sensibilité. Elle permet également de balayer un angle de vue plus important, les lobes de réseau étant très faibles par rapport au lobe principal. Le choix aléatoire de la position des éléments et de leur apodization (ou pondération) reste optimisé par le recuit simulé. Les méthodes proposées sont systématiquement comparées avec la sonde complète dans le cadre de simulations numériques dans des conditions réalistes. Ces simulations démontrent un réel potentiel pour l'imagerie 3D des techniques développées. Une sonde 2D de 8x24=192 éléments a été construite par Vermon (Vermon SA, Tours France) pour tester les méthodes de sélection des éléments développées dans un cadre expérimental. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux permettent de valider les méthodes proposées et de prouver leur faisabilité.
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