FR3109520A1

FR3109520A1 - Procédé de caractérisation d’un objet à l’aide d’ondes ultrasonores à différents modes, à l’aide d’une image composite

Info

Publication number: FR3109520A1
Application number: FR2004180A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Renaud
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM; Sorbonne Universite
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM; Sorbonne Universite
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2021-10-29
Also published as: WO2021219951A1; EP4142606A1; US20230087997A1

Abstract

Procédé de caractérisation d’un objet comprenant : émission d’ondes ultrasonores qui entrent dans un objet en traversant une interface externe, puis se réfléchissent sur une interface interne, puis sortent de l’objet en retraversant à nouveau l’interface externe, les ondes ultrasonores comprenant des premières ondes ayant un mode qui évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’objet, et des deuxièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’objet ; réception de signaux d’écho comprenant des premiers signaux représentant des échos des premières ondes, et des deuxièmes signaux représentant des échos des deuxièmes ondes, construction d’une pluralité d’images montrant l’objet, la pluralité d’images étant construite à partir des signaux d’écho, sous l’hypothèse que deux caractéristiques de l’objet sont égales à deux valeurs candidates, et comprenant une première image construite à partir des premiers signaux, et une deuxième construite à partir des deuxièmes signaux ; construction d’une image composite à partir de la pluralité d’images ; calcul d’une métrique de mise au point dans l’image composite, et en fonction de la métrique, sélection ou non des deux valeurs candidates en tant que valeurs des deux caractéristiques. Ces caractéristiques peuvent notamment servir à estimer une épaisseur de l’objet entre les deux interfaces.

Description

Procédé de caractérisation d’un objet à l’aide d’ondes ultrasonores à différents modes, à l’aide d’une image composite

La présente divulgation concerne un procédé de caractérisation d’un objet à l’aide d’ondes ultrasonores, et un système pour mettre en œuvre ce procédé.

Ce procédé et ce système trouvent avantageusement application pour caractériser un os.

ETAT DE LA TECHNIQUE

L’utilisation d’ondes pour caractériser un objet, tel qu’un corps vivant, est connue.

L'imagerie par tomographie à rayons X est par exemple une technique d'imagerie médicale utilisant des rayons X traversant le corps à imager. Cette technique présente toutefois l’inconvénient d’exposer le corps à un rayonnement ionisant potentiellement dangereux. Encore aujourd’hui, on évite d’exposer le corps de jeunes enfants à de tels rayons X sauf absolue nécessité.

D’autres techniques connues ayant pour but de caractériser un corps vivant utilisent des ondes ultrasonores, qui sont des ondes moins dangereuses que les rayons X.

Des ondes ultrasonores sont conventionnellement émises par un réseau d’émetteurs récepteurs, et leurs échos sur un corps à caractériser sont reçus par le même réseau ou un autre réseau après une certaine durée de propagation entre l’émission et la réception.

Des images montrant une coupe du corps dans lequel les ondes ultrasonores se sont propagées peuvent ensuite être construites sur la base des signaux d’écho reçus par le (ou les) réseau(x) d’émetteurs-récepteurs.

Au cours de la construction de telles images, il est fait l’hypothèse que le corps est un milieu homogène, et que, par conséquent, la vitesse du son est uniforme dans le corps étudié.

La vitesse du son choisie est généralement une vitesse du son moyenne dans du tissu biologique non osseux (peau ou muscle par exemple), qui est généralement de l’ordre de 1540 mètres par seconde à une erreur près de 5% à 10%. Les images obtenues sur la base de cette hypothèse présentent ainsi une qualité satisfaisante dans des régions d’intérêt montrant du tissu biologique non osseux.

Or, la vitesse du son dans un os (généralement comprise entre 2800 mètres par secondes et 4200 mètres par secondes pour une onde de compression dans l’os cortical) est très supérieure à la vitesse du son dans un tissu biologique non osseux. Des images obtenues sur la base d’une hypothèse de vitesse uniforme dont la valeur correspond à une vitesse du son dans du tissu biologique non-osseux présentent une mauvaise qualité dans des régions d’intérêt montrant l’os. Cette mauvaise qualité se traduit typiquement par une faible intensité et un rendu flou au niveau de l’os. Pour cette raison, une idée reçue largement répandue dans le milieu médical est que les ondes ultrasonores ne « pénètrent pas facilement » dans de l’os.

La différence entre la vitesse du son dans un os et dans les tissus biologiques non osseux entourant l’os crée un effet de réfraction. Il n’est donc pas possible de reconstruire des images de bonne qualité en se fondant sur une valeur prédéterminée de vitesse de son dans l’os, comme on a déjà pu le faire avec une vitesse de son dans un tissu biologique non osseux.

La vitesse du son dans un os dépend de plusieurs facteurs.

Premièrement, la vitesse du son dans un os varie d’un individu à un autre. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle elle constitue une information très utile pour diagnostiquer ultérieurement des troubles tels que l’ostéoporose.

Deuxièmement, la vitesse du son dans un os n’est pas la même dans toutes les directions. L’os est en effet un milieu élastiquement anisotrope. Ceci est dû notamment au fait que l’os dit cortical comprend des canaux s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal d’un os long (tibia par exemple), pour héberger en particulier des vaisseaux sanguins. Ainsi, une onde ultrasonore de compression se propage dans un os suivant une direction parallèle à l’axe longitudinal d’un os long plus rapidement que suivant une autre direction.

En définitive, déterminer précisément la vitesse de son constitue un enjeu majeur pour caractériser un os.

A cet égard, il a déjà été proposé un procédé de détermination de la vitesse du son dans un os parallèlement à l’axe longitudinal de l’os. Au cours de ce procédé, des ondes ultrasonores sont émises par un réseau d’émetteurs-récepteurs d’ondes ultrasonores alignés parallèlement à l’axe longitudinal d’un os long. Sur la base de signaux d’écho reçus par les récepteurs, on détermine une vitesse d’une onde guidée par l’os, dite onde de tête, se propageant le long de la surface extérieure de l’os. Cette vitesse est déterminée assez facilement en faisant l’hypothèse que la relation entre l’instant de réception d’une onde ultrasonore par un des récepteurs et la distance séparant ce récepteur de l’émetteur de la même onde est une fonction linéaire.

Cependant, ce procédé ne peut pas être utilisé pour déterminer une vitesse du son dans l’os suivant une autre direction qu’une direction parallèle à l’axe longitudinal d’un os long. En conséquence, il ne permet de caractériser un os que de façon partielle.

Il a été par la suite proposé dans le document WO 2019/016339 un procédé permettant de surmonter les problèmes ci-dessus.

Un but de la présente invention est de caractériser de manière encore plus fine un objet, tel qu’un os par exemple.

A cet effet, il est proposé, selon un premier aspect, un procédé de caractérisation d’un objet comprenant une interface externe, une interface interne et un milieu interne situé entre l’interface externe et l’interface interne, le procédé comprenant des étapes de :
- émission, par des émetteurs, d’ondes ultrasonores vers l’objet, de sorte que les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu externe situé entre les émetteurs et l’objet, puis entrent dans l’objet en traversant l’interface externe, puis se réfléchissent sur l’interface interne, puis sortent de l’objet en traversent à nouveau l’interface externe, les ondes ultrasonores comprenant des premières ondes ayant un mode qui évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’objet, et des deuxièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’objet, la deuxième évolution étant différente de la première évolution,
- réception, par des récepteurs, de signaux d’écho des ondes ultrasonores après leur sortie de l’objet, les signaux d’écho comprenant des premiers signaux représentant des échos des premières ondes, et des deuxièmes signaux représentant des échos des deuxièmes ondes,
- détermination de deux caractéristiques de l’objet renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonores dans l’objet, la détermination des deux caractéristiques de l’objet comprenant les sous-étapes suivantes :
a) construction d’une pluralité d’images montrant l’interface interne et le milieu interne, la pluralité d’images étant construite à partir des signaux d’écho, de données de localisation de l’interface externe, d’une vitesse du son dans le milieu externe et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet sont respectivement égales à deux valeurs candidates, la pluralité d’image comprenant une première image associée aux premières ondes et construite à partir des premiers signaux, et une deuxième image associées aux deuxièmes ondes et construite à partir des deuxièmes signaux,
b) construction d’une image composite à partir de la pluralité d’images,
c) calcul d’une métrique indicative d’une qualité de mise au point de l’interface interne et/ou du milieu interne dans l’image composite,
d) en fonction de la métrique, sélection ou non des deux valeurs candidates en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet.

Le procédé selon le premier aspect peut comprendre les caractéristiques optionnelles suivantes, prises seules ou combinées entre elles chaque fois que cela est techniquement possible.

De préférence :
- les ondes ultrasonores comprennent des troisièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une troisième évolution au cours de leur propagation dans l’objet, la troisième évolution étant différente de la première évolution et de la deuxième évolution,
- les signaux d’écho comprennent des troisièmes signaux représentant des échos des troisièmes ondes,
- la pluralité d’images comprend une troisième image associée aux troisièmes ondes et construite à partir des troisièmes signaux.

De préférence :
- les ondes ultrasonores comprennent des quatrièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une quatrième évolution au cours de leur propagation dans l’objet, la quatrième évolution étant différente de la première évolution, de la deuxième évolution et de la troisième évolution,
- les signaux d’écho comprennent des quatrièmes signaux représentant des échos des quatrièmes ondes,
- la pluralité d’images comprend une quatrième image associée aux quatrièmes ondes et construite à partir des quatrièmes signaux.

De préférence, les ondes ultrasonores comprennent :
- des ondes ayant un mode qui ne change pas en traversant l’interface externe et qui ne change pas en se réfléchissant sur l’interface interne, et/ou
- des ondes ayant un mode qui change dans lors de leur entrée dans l’objet en traversant l’interface externe, qui ne change pas lors de leur réflexion sur l’interface interne, et qui change à nouveau lors de leur sortie de l’objet en traversant l’interface externe, et/ou
- des ondes ayant un mode qui change lors de leur entrée dans l’objet en traversant l’interface externe, qui change à nouveau lors de leur réflexion sur l’interface interne, et qui ne change pas lors de leur sortie de l’objet en traversant l’interface externe, et/ou
- des ondes ayant un mode qui ne change pas lors de leur entrée dans l’objet en traversant l’interface externe, qui change lors de leur réflexion sur l’interface interne, et qui change à nouveau lors de leur sortie de l’objet en traversant l’interface externe.

De préférence, les ondes ultrasonores sont des ondes de compression à leur émission.

Dans un mode de réalisation, les deux caractéristiques de l’objet comprennent un paramètre d’anisotropie élastique de l’objet et une vitesse de propagation d’ondes de cisaillement à polarisation verticale dans l’objet dans une direction de propagation parallèle ou perpendiculaire à un axe longitudinal de l’objet.

Dans un autre mode de réalisation, les deux caractéristiques de l’objet comprennent une vitesse de propagation d’ondes de compression dans l’objet et une vitesse de propagation d’ondes de cisaillement dans l’objet.

Les deux paramètres peuvent être adaptés pour définir, en combinaison avec deux autres paramètres :
- une fonction de calcul) d’une vitesse de propagation d’une onde de compression dans l’objet dans une direction de propagation quelconque, et
- une fonction de calcul) d’une vitesse de propagation dans l’objet d’une onde de cisaillement à polarisation verticale dans une direction de propagation quelconque.

Les deux autres paramètres peuvent comprendre une vitesse de propagation d’ondes de compression dans une direction axiale de l’objet, et un autre paramètre d’anisotropie élastique de l’objet.

La pluralité d’images peut être construite sous l’hypothèse que l’objet est élastiquement isotrope dans un plan perpendiculaire à un axe longitudinal de l’objet, ou bien sous l’hypothèse que l’objet est élastiquement isotrope.

De préférence, la construction d’une image de référence comprise dans la pluralité d’image, et associée à des ondes de référence, comprend :
- une estimation de trajectoires suivies par les ondes de référence, à partir de signaux de référence représentant des écho des ondes de référence, des données de localisation de l’interface externe, et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet sont respectivement égales aux deux valeurs candidates,
- un calcul de durées de propagation des ondes ultrasonores via les trajectoires estimées,
- calcul d’une intensité d’un pixel de l’image de référence, à partir des durées de propagation, des signaux de référence et de positions des émetteurs et des récepteurs.

De préférence, la construction de l’image composite comprend une somme pondérée de la pluralité d’images.

De préférence, le procédé selon le premier aspect comprend une répétition des sous-étapes a) à c) pour différentes paires de valeurs candidates, de sorte à obtenir une pluralité de métriques, l’une des paires de valeurs candidates étant sélectionnée à l’étape d) en fonction de la pluralité de métriques.

De préférence, le procédé comprend une localisation de l’interface interne dans une image construite lors d’une mise en œuvre de l’étape a) ou de l’étape b), de sorte à générer des données de localisation de l’interface interne.

De préférence, l’interface interne est localisée dans une image construite à partir de deux valeurs candidates sélectionnées à l’étape d) en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet.

De préférence, l’interface interne est localisée est une image construite à partir de signaux d’écho d’ondes ayant un mode qui ne change pas en traversant l’interface externe et qui ne change pas en se réfléchissant sur l’interface interne.

De préférence, le procédé comprend une estimation d’une épaisseur de l’objet entre l’interface externe et l’interface interne, à partir des données de localisation de l’interface externe et des données de localisation de l’interface interne.

Dans une application particulière du procédé, l’objet est un os. De préférence, l’interface externe est un périoste de l’os. De préférence, l’interface interne est un endoste de l’os. De préférence, le milieu interne est un tissu cortical de l’os.

Le milieu interne peut comprendre des pores contenant un fluide ou des fibres solides orientées dans une même direction longitudinale. Il est par ailleurs proposé un système de caractérisation d’un objet, le système comprenant :
- des émetteurs configurés pour émettre des ondes ultrasonores vers l’objet, de sorte que les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu externe situé entre les émetteurs et l’objet, puis entrent dans l’objet en traversant l’interface externe, puis se réfléchissent sur l’interface interne, puis sortent de l’objet en traversent à nouveau l’interface externe, les ondes ultrasonores comprenant des premières ondes ayant un mode qui évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’objet, et des deuxièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’objet, la deuxième évolution étant différente de la première évolution,
- des récepteurs configurés pour recevoir des signaux d’écho des ondes ultrasonores après leur sortie de l’objet, les signaux d’écho comprenant des premiers signaux représentant des échos des premières ondes, et des deuxièmes signaux représentant des échos des deuxièmes ondes,
- un dispositif de traitement configuré pour déterminer deux caractéristiques de l’objet renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonores dans l’objet, la détermination des deux caractéristiques de l’objet comprenant les sous-étapes suivantes :
a) construction d’une pluralité d’images montrant l’interface interne et le milieu interne, la pluralité d’images étant construite à partir des signaux d’écho, de données de localisation de l’interface externe, d’une vitesse du son dans le milieu externe et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet sont respectivement égales à deux valeurs candidates, la pluralité d’image comprenant une première image associée aux premières ondes et construite à partir des premiers signaux, et une deuxième image associées aux deuxièmes ondes et construite à partir des deuxièmes signaux,
b) construction d’une image composite à partir de la pluralité d’images,
c) calcul d’une métrique indicative d’une qualité de mise au point de l’interface interne et/ou du milieu interne dans l’image composite,
d) en fonction de la métrique, sélection ou non des deux valeurs candidates en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue schématique d’un corps comprenant un os.

La figure 2 illustre de façon schématique un système de caractérisation selon un mode de réalisation.

La figure 3 représente un os et une sonde dans une première position.

La figure 4 est un organigramme d’étapes d’un procédé de caractérisation selon un premier mode de réalisation.

La figure 5 représente un os et une sonde dans une deuxième position.

La figure 6 est un organigramme d’autres étapes du procédé de caractérisation selon le premier mode de réalisation.

La figure 7 illustre des trajectoires suivies par différentes types d’ondes dans un os.

La figure 8 est un organigramme détaillant des sous-étapes d’une étape illustré en figure 6.

Les figures 9a à 9e montrent respectivement cinq images construites au cours de la mise en œuvre d’un procédé de caractérisation.

La figure 10 est un organigramme d’étapes d’un procédé de caractérisation selon un deuxième mode de réalisation.

La figure 11 est un organigramme détaillant des sous-étapes d’une étape illustrée en figure 10.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION

1) Système de caractérisation

On a illustré de manière schématique enfigure 1un exemple de partie d’un corps C comprenant un os B et du tissu biologique non osseux T.

L’os B s’étend le long d’un axe longitudinal X. L’os B comprend notamment de la moelle, un endoste E s’étendant autour de la moelle, un tissu osseux cortical T s’étendant autour de l’endoste E, un périoste s’étendant autour du tissu osseux cortical T.

Le tissu osseux cortical comprend des ostéons ou systèmes de Havers, chaque ostéon définit un pore présentant une forme de cylindre orienté parallèlement à l’axe longitudinal X.

Le tissu biologique non osseux T s’étend autour de l’os, et plus spécifiquement autour du périoste PE avec lequel il est en contact. Le tissu biologique non osseux T comprend de la chair voire de la peau entourant la chair.

Le périoste PE constitue une interface externe de l’os B, entre un milieu externe (le tissu biologique non osseux T) et un milieu interne (le tissu osseux cortical).

L’endoste E constitue par ailleurs une interface interne de l’os B entre le tissu osseux cortical T et la moelle.

En référence à lafigure 2, un système 1 de caractérisation comprend une sonde 2 ultrasonore, un dispositif de traitement 4 de signaux d’écho acquis par la sonde 2, voire un écran d’affichage 12.

La sonde 2 ultrasonore, connue en elle-même, comprend au moins un réseau d’émetteurs-récepteurs 6 alignés le long d’un axe Y.

De façon conventionnelle, la sonde 2 comprend une lentille en silicone (non illustrée) agencée devant la rangée d’émetteurs-récepteurs 6.

Chaque émetteur-récepteur 6 est adapté pour émettre des ondes ultrasonores.

Chaque émetteur-récepteur 6 est également adapté pour acquérir des signaux d’écho d’ondes ultrasonores émises par un quelconque autre émetteur-récepteur 6.

Un émetteur-récepteur est par exemple un élément piézoélectrique.

Les positions relatives des émetteurs-récepteurs 6 sont prédéterminées. Typiquement, les émetteurs-récepteurs 6 sont distants d’un pas constant le long de l’axe de la sonde 2.

Par ailleurs, le dispositif de traitement 4 de signaux d’écho comprend conventionnellement au moins un processeur 8 et une mémoire 10.

Le processeur 8 est configuré pour exécuter des calculs, et en particulier un algorithme de traitement d’images dont le fonctionnement sera détaillé dans la suite.

Une fonction du dispositif de traitement 4 est de déterminer, à partir de signaux d’écho et d’autres données, au moins deux paramètres de l’os renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonore dans l’os.

La mémoire 10 stocke des données prédéterminées. Ces données ne sont pas propres au corps d’un individu mais sont des données génériques applicables à tout individu d’une population.

Les données prédéterminées comprennent un ensemble de valeurs candidates pour les deux paramètres de l’os renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonore dans l’os.

2) Premier mode de réalisation de procédé de caractérisation, fondé sur un modèle d’isotropie élastique transverse

Un procédé de caractérisation de l’os B au moyen du système de caractérisation 1 et selon un premier mode de réalisation comprend les étapes suivantes.

La sonde 2 est positionnée à proximité du corps C dans une première position illustrée enfigure 3. Dans la première position, les émetteurs-récepteurs 6 de la sonde 2 sont alignés sensiblement perpendiculairement à l’axe longitudinal de l’os B. Autrement dit l’axe Y de la sonde 2 est perpendiculaire à l’axe X de l’os B dans la première position.

En référence à lafigure 4, la sonde 2 émet des ondes ultrasonores en direction du corps C (étape 100). Ces ondes sont par exemple des ondes de compression radiales. Ces ondes se propagent dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X de l’os B, dit également plan transverse. Les ondes ultrasonores se propagent dans le tissu biologique non osseux (milieu externe situé entre les émetteurs et l’os), puis entrent dans l’os en traversant le périoste (interface externe de l’os), puis se réfléchissent sur l’endoste (interface interne de l’os), puis sortent de l’os en traversent à nouveau le périoste.

Les ondes ultrasonores émises lors de cette étape 100 peuvent avoir un mode de compression (l’onde est alors une onde de compression) ou un mode de cisaillement (l’onde est alors une onde de cisaillement).

Des signaux d’écho de ces ondes ultrasonores sont acquis par les émetteurs-récepteurs de la sonde 2 (étape 102). Bien entendu, une onde émise par un émetteur-récepteur 6 d’indice i peut parfaitement donner naissance à un signal d’écho reçu par un autre émetteur-récepteur 6 d’indice j.

Les signaux d’écho sont numérisés, transmis au dispositif de traitement 4 et mémorisés dans la mémoire 10 sous une forme connue de l’état de la technique.

Ensuite, le processeur 8 met en œuvre les étapes suivantes, qui sont décrites dans le document WO 2019/016339 :

Détermination d’une vitesse du son dans le tissu biologique (étape 104). Cette étape utilise les signaux d’écho reçus à l’étape 102. La vitesse du son dans le tissu biologique déterminée au cours de l’étape 102 est une vitesse radiale , c’est-à-dire dans un plan transverse (perpendiculaire à l’axe longitudinal X de l’os).
Localisation du périoste PE (étape 106). Comme indiqué précédemment, le périoste PE constitue une interface externe de l’os B entre un milieu interne de l’os B (à savoir le tissu osseux cortical) et un milieu externe (à savoir le tissu biologique non osseux T entourant l’os B). Autrement dit, le périoste définit une courbe de démarcation. Au cours de l’étape de localisation 106, le processeur 8 génère des données de localisation du périoste PE.
Détermination d’une vitesse radiale du son dans l’os (étape 108). Cette vitesse est donc une vitesse dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal de l’os. La vitesse est déterminée à partir des données de localisation du périoste PE obtenues à l’étape 106 et de la vitesse déterminée à l’étape 104.

A titre de rappel, l’étape 108 comprend les sous-étapes suivantes :

Construction d’une image, dite image préliminaire, image montrant le tissu osseux cortical de l’os B et l’endoste E, à partir des signaux d’écho, de la vitesse , des données de localisation du périoste PE, et sous l’hypothèse que la vitesse est égale à une valeur candidate mémorisée dans la mémoire. L’image préliminaire est par exemple construite à l’aide de la méthode de migration de Kirchhoff, de la méthode dite « de mise au point totale » (« Total Focusing Method » en anglais), ou encore de la méthode dite de migration par renversement temporel (« Reverse Time Migration » en anglais, abrégé en RTM).
Calcul d’une métrique, dit métrique préliminaire, représentative d’une qualité de mise au point dans une région d’intérêt de l’image préliminaire. La région d’intérêt choisie est typiquement une région montrant l’endoste E et/ou le tissu cortical de l’os B.
Répétition des deux sous-étapes qui précèdent pour différentes valeurs candidates disponibles dans la mémoire, de sorte à obtenir une pluralité de métriques préliminaires,
Sélection en tant que valeur définitive pour la vitesse d’une valeur optimale parmi les valeurs candidates utilisées. Le processeur 8 se base pour cela sur les métriques préliminaires.

Le processeur 8 localise l’endoste E (étape 110) dans l’une des images préliminaires construites au cours de l’étape 108. Au cours de l’étape de localisation 110, le processeur 8 génère des données de localisation de l’endoste E.

La localisation 110 de l’endoste E comprend conventionnement les sous-étapes suivantes :

L’image préliminaire choisie pour la localisation fait l’objet d’une segmentation, de sorte à identifier un groupe de pixels (cette segmentation comprenant par exemple la mise en œuvre d’un algorithme de Djikstra connu de l’état de la technique).
ce groupe de pixels est approximé en une courbe de démarcation définie par un polynôme, par exemple une parabole.

Préférentiellement, la localisation 110 est mise en œuvre dans l’images préliminaire construite sur la base de la valeurs candidate ayant été sélectionnée en tant que cours de l’étape 109. Ceci a pour avantage de localiser l’endoste E de manière plus précise du fait de la haute qualité de mise au point de cette image parmi toutes celles qui ont été construites par le processeur 8 au cours de l’étape 108.

Ensuite, le processeur 8 estime une épaisseur de l’os B, mesurée entre le périoste PE et l’endoste E (étape 112). Cette épaisseur est estimée sur la base des données de localisation obtenues aux étapes 106 et 110.

Ensuite, la sonde 2 est positionnée à proximité du corps C dans une deuxième position illustré enfigure 5. La deuxième position est différente de la première position. En effet, dans la deuxième position, les axes X et Y sont coplanaires, voies parallèles.

En référence à lafigure 6, la sonde 2 dans la deuxième position émet de nouvelles ondes ultrasonores en direction de l’os B (étape 200). Les nouvelles ondes ultrasonores se propagent dans un plan longitudinal parallèle à l’axe longitudinal de l’os B.

Les nouvelles ondes ultrasonores entrent dans le corps C, puis se propagent dans le tissu biologique non osseux T (milieu externe), puis entrent dans l’os B en traversant le périoste PE (interface externe de l’os), puis se propagent dans le tissu cortical de l’os (milieu interne). Les nouvelles ondes se réfléchissent ensuite sur l’endoste E (interface interne), puis se propagent à nouveau dans le tissu cortical de l’os, puis sortent de l’os en traversant à nouveau le périoste PE, se propagent à nouveau dans le tissu biologique non osseux T avant de ressortir du corps C puis d’attendre les récepteurs de la sonde 2.

Une nouvelle onde ultrasonore peut avoir un mode de compression (l’onde est alors une onde de compression) ou un mode de cisaillement (l’onde est alors une onde de cisaillement).

De plus, le mode d’une nouvelle onde ultrasonore est susceptible d’évoluer entre son émission par un émetteur de la sonde 2 et sa réception ultérieure par un récepteur de la sonde 2. Deux changements de mode sont susceptibles de survenir : mode de compression vers mode de cisaillement ou mode cisaillement vers mode de compression.

Les nouvelles ondes ultrasonores ont un mode de compression lors de leur émission par la sonde 2 à l’étape 200.

Toutefois, les nouvelles ondes ultrasonores émises à l’étape 200 comprennent des ondes dont les modes respectifs évoluent de manières différentes au cours de leur propagation dans l’os B. Par ailleurs, les trajectoires suivies par ces ondes sont également différentes.

Les nouvelles ondes ultrasonores peuvent comprendre des premières ondes dont le mode évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’os : leur mode ne change pas en traversant le périoste PE (interface externe) et ne change pas en se réfléchissant sur l’endoste (interface interne). Ces premières ondes sont par exemples des ondes PPPP : avant d’atteindre l’os, ces ondes PPPP sont des ondes de compression, et le restent au cours de leur propagation dans l’os. Les premières ondes suivent des premières trajectoires dans l’os.

Les nouvelles ondes ultrasonores peuvent comprendre des deuxièmes ondes dont le mode évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’os, la deuxième évolution étant différente de la première évolution : leur mode change lors de leur entrée dans l’os B en traversant le périoste PE (interface externe), ne change pas lors de leur réflexion sur l’endoste (interface interne), et change à nouveau lors de leur sortie de l’objet en traversant le périoste (interface externe) Ces deuxièmes mondes sont par exemple des ondes PSSP : avant d’atteindre l’os, ces ondes sont des ondes de compression, se transforment en ondes de cisaillement en entrant dans l’os B par le périoste PE, et se transforment en ondes de compression en sortant de l’os en retraversant à nouveau le périoste PE. Les deuxièmes ondes suivent des premières trajectoires dans l’os qui sont différentes des premières trajectoires.

Les nouvelles ondes ultrasonores peuvent comprendre des troisièmes ondes dont le mode évolue selon une troisième évolution au cours de leur propagation dans l’os, la troisième évolution étant différente de la première évolution et de la deuxième évolution. Ces troisièmes ondes ont un mode qui change lors de leur entrée dans l’os B en traversant le périoste PE (interface externe), qui change à nouveau lors de leur réflexion sur l’endoste E (interface interne), et qui ne change pas lors de leur sortie de l’os en traversant le périoste PE (interface externe). Ces troisièmes ondes sont par exemples des ondes PSPP : avant d’atteindre l’os, ces ondes sont des ondes de compression, se transforment en ondes de cisaillement en entrant dans l’os B par le périoste PE et se retransforment en ondes de compression en se réfléchissant sur l’endoste E. Les troisièmes ondes suivent des troisièmes trajectoires dans l’os qui sont différentes des premières trajectoires et des deuxièmes trajectoires.

Les nouvelles ondes ultrasonores peuvent comprendre des quatrièmes ondes dont le mode évolue selon une quatrième évolution au cours de leur propagation dans l’os, la quatrième évolution étant différente de la première évolution, de la deuxième évolution et de la troisième évolution. Ces quatrièmes ondes ont un mode qui ne change pas lors de leur entrée dans l’os en traversant le périoste PE (interface externe), qui change lors de leur réflexion sur l’endoste E (interface interne), et qui change à nouveau lors de leur sortie de l’os en traversant le périoste PE (interface externe). Ces quatrièmes ondes sont par exemples des ondes PPSP : avant d’atteindre l’os, ces ondes sont des ondes de compression, se transforment en ondes de cisaillement en se réfléchissant sur l’endoste, et se retransforment en ondes de compression en sortant de l’os par traversée du périoste. Les quatrièmes ondes suivent des quatrièmes trajectoires dans l’os qui sont différentes des premières trajectoires, des deuxièmes trajectoires et des troisièmes trajectoires.

On a représenté enfigure 7les trajectoires respectives d’une onde PPPP, d’une onde PSSP, d’une onde PPSP, et d’une onde PPSP ainsi que d’une onde PP. La figure 7 montre une zone grise qui représente le tissu osseux cortical de l’os B. Le périoste PE est représenté par la bordure supérieure de cette zone grise, et l’endoste E est représenté par la bordure inférieure de cette zone grise.

Les nouvelles ondes ultrasonores émises à l’étape 200 peuvent comprendre n’importe quelle combinaison d’au moins deux types d’ondes dans le groupe formé par les premières, deuxièmes, troisièmes et quatrièmes ondes mentionnées ci-dessus. En particulier, Les nouvelles ondes ultrasonores émises à l’étape 200 peuvent comprendre les premières et deuxièmes ondes en combinaison. Il est toutefois avantageux de leur adjoindre les troisièmes ondes et/ou les quatrièmes ondes, afin de caractériser l’os B de manière plus précise.

Des nouveaux signaux d’écho de ces nouvelles ondes ultrasonores sont ainsi acquis par les émetteurs-récepteurs 6 de la sonde 2 (étape 202).

Les nouveaux signaux d’écho comprennent des signaux différents associés respectivement aux différentes ondes décrites précédemment, dont les modes évoluent différemment et suivant des trajectoires différentes au cours de leur propagation dans l’os.

Ainsi, les nouveaux signaux d’écho obtenu à l’étape 202 peuvent comprendre :

Des premiers signaux constituant des échos des premières ondes, et/ou
Des deuxièmes signaux constituant des échos des deuxièmes ondes, et/ou
Des troisièmes signaux constituant des échos des troisièmes ondes, et/ou
Des quatrièmes signaux constituant des échos des quatrièmes ondes.

Les nouveaux signaux d’écho sont numérisés, transmis au dispositif de traitement 4 et mémorisés dans la mémoire 10.

Il va à présent être décrit des traitements mis en œuvre par le dispositif de traitement 4 sur la base de ces nouveaux signaux d’écho.

Ces traitements sont fondés sur l’hypothèse que l’os B est élastiquement isotrope dans le plan transverse (qui est perpendiculaire à l’axe longitudinal X).

Sous cette hypothèse, il est en possible de calculer la vitesse de propagation d’une onde de compression dans une direction de propagation formant un angle quelconque avec le plan transverse de l’os, et la vitesse de propagation d’une onde de cisaillement à polarisation verticale dans la même direction de propagation, à l’aide de deux fonctions et .

Ces deux fonctions et peuvent être définies par quatre paramètres, dits paramètres de Thomsen, car ils ont été proposés par L. Thomsen dans le document intitulé « Weak elastic anisotropy », publié en 1986.

On a en effet :

Où :

Les paramètres de Thomsen comprennent ainsi :

: vitesse de propagation axiale d’une onde de compression dans l’os B, c’est-à-dire dans une direction parallèle à l’axe longitudinal X de l’os B. On note également cette vitesse .
: vitesse de propagation d’une onde de cisaillement dans l’os B pour (direction radiale, que l’on peut également appeler direction transverse) ou (direction axiale). Ces deux valeurs sont considérées égales dans ce modèle.
: paramètre d’anisotropie élastique de l’os B.
∈ : autre paramètre d’anisotropie élastique de l’os B. comme on le verra dans la suite, cet autre paramètre d’anisotropie élastique est représentatif d’un écart entre la vitesse de propagation axiale dans l’os d’une onde de compression et une vitesse radiale dans l’os d’une onde de compression.

Le processeur 8 détermine le paramètre sur la base des nouveaux signaux d’écho (étape 204). Cette étape peut par exemple se fonder sur un repérage d’une onde de tête qui se propage le long de la surface extérieure de l’os B. Selon cette technique connue, on utilise deux signaux d’écho spécifiques acquis en réponse à l’émission d’ondes par deux émetteurs 6 extrémaux de la sonde 2 (typiquement, celui d’indice 0 et celui d’indice maximal). L’ensemble des émetteurs-récepteurs 6 reçoit les ondes émises sélectivement par l’une des émetteurs 6 extrémaux de la sonde 2. La distance qui sépare les deux émetteurs 6 extrémaux est connue, typiquement entre 10 et 40 millimètres. A cette échelle, il peut être fait l’hypothèse que la surface extérieure de l’os B est plane. Dès lors, la vitesse de propagation d’une onde de tête le long de cette surface peut être déterminée facilement étant donné que la relation entre instant d’arrivée de l’onde de tête d’une onde par l’une des deux émetteurs-récepteurs 6 utilisés et la distance séparant l’un des deux émetteurs 6 extrémaux et les récepteurs 6 est une fonction linéaire. Sous cette hypothèse de linéarité, il est très facile de déterminer :

La vitesse V1 d’une onde de tête qui s’est propagée le long de l’os B lorsque l’émetteur-récepteur 6 d’indice 0 était utilisé en tant qu’émetteur, et que tous les émetteurs-récepteurs 6 étaient utilisés en tant que récepteurs.
La vitesse V2 d’une onde de tête qui s’est propagée le long de l’os B lorsque l’émetteur-récepteur 6 d’indice maximal était utilisé en tant qu’émetteur, et que tous les émetteurs-récepteurs 6 étaient utilisés en tant que récepteurs.

Le paramètre est ensuite calculé par le processeur 8 au moyen de la formule suivante :

Le processeur 8 détermine par ailleurs le paramètre (étape 206) sur la base de la vitesse obtenue à l’étape 108 et la vitesse (autrement dit, le paramètre ) obtenue à l’étape 204.

Le processeur 8 effectue typiquement le calcul suivant au cours de l’étape 206 pour déterminer le paramètre :

Le processeur 8 détermine par ailleurs les paramètres et à l’aide des nouveaux signaux d’écho (étape 208). En référence à lafigure 8, cette étape 208 comprend les sous-étapes suivantes.

Le processeur 8 construit une pluralité d’images montrant chacune l’endoste E (interface interne) et le tissu osseux cortical de l’os (milieu interne) (étape 300). Pour cette construction, les données d’entrée suivantes sont utilisées par le processeur 8 :

Les nouveaux signaux d’écho obtenus à l’étape 202.
Les données de localisation du périoste PE (interface externe) obtenues à l’étape 106.
La vitesse du son dans le tissu biologique T (milieu externe) déterminée à l’étape 108.
Deux valeurs candidates qui sont disponibles dans la mémoire 10.

Pour construire la pluralité d’images à l’étape 300, le processeur 8 met en œuvre un traitement faisant l’hypothèse que les paramètres et sont respectivement égaux à ces deux valeurs candidates.

Chaque image de la pluralité d’image est constituée d’une grille de pixels, chaque pixel étant défini par une position dans la grille et par une intensité I, cette intensité étant typiquement représentative d’un niveau de gris. Chaque image préliminaire représente par ailleurs une vue en coupe du corps C dans un plan dans lequel les ondes ultrasonores se sont propagées (ce plan de coupe étant parallèle à l’axe de la sonde 2). Chaque point de ce plan de coupe sera ainsi montré dans un pixel de chaque image.

En revanche, les signaux d’écho acquis à l’étape 202 ne sont pas tous utilisés pour construire une image de la pluralité d’images. Seul l’un des quatre types de signaux d’écho mentionnés plus est utilisé pour construire une image de la pluralité d’image. Par conséquent, une image de la pluralité d’image est associée à des ondes ayant eu une évolution de mode spécifique et ayant suivi une trajectoire spécifique au cours de leur propagation dans l’os.

En référence auxfigures 9a à 9d, la pluralité d’images peut ainsi comprendre :

une première image I1 construite sélectivement sur la base des premiers signaux d’écho, lorsque les premières ondes font partie des ondes ultrasonores émises à l’étape 202, et/ou
une deuxième image I2 construite sélectivement sur la base des deuxièmes signaux d’écho, lorsque les deuxième ondes font partie des ondes ultrasonores émises à l’étape 202, et/ou
une troisième image I3 construite sélectivement sur la base des troisièmes signaux d’écho, lorsque les troisièmes ondes font partie des ondes ultrasonores émises à l’étape 202, et/ou
une quatrième image I4 construite sélectivement sur la base des quatrièmes signaux d’écho, lorsque les quatrièmes ondes font partie des ondes ultrasonores émises à l’étape 202.

Dans une variante de réalisation, la construction d’une image de la pluralité d’images est réalisée au moyen de la méthode de migration de Kirchhoff ou de la méthode dite « de mise au point totale » (« Total Focusing Method » en anglais). Ces méthodes sont connues en elles-mêmes.

La construction de la première image I1 au moyen d’une de ces deux méthodes comprend les sous-étapes suivantes.

Pour un point P donné du corps C étudié, le processeur 8 estime sélectivement les premières trajectoires suivies par les premières ondes, à partir des premiers signaux d’écho et sous l’hypothèse que les paramètres et sont respectivement égaux à deux valeurs candidates présentes dans la mémoire 10.

Les premières ondes passées par le point P ont été chacune émise par un émetteur d’indice i, dont la position est connue le long de l’axe Y de la sonde 2, et reçue par un récepteur d’indice j, dont la position est également connue le long de l’axe Y de la sonde 2. On a donc au plus autant de premiers signaux d’écho d’ondes passées par le point P que de paires (i, j) d’indices d’émetteurs/récepteurs dans la sonde 2 (donc au plus M x N signaux si M est le nombre d’émetteurs utilisés et N le nombre de récepteurs utilisés).

L’estimation des premières trajectoires est mise en œuvre en exploitant le principe de Fermat, selon lequel il est supposé qu’une première onde se propage rectilignement dans un milieu homogène. Le corps C est considéré au cours de la mise en œuvre de cette estimation des premières trajectoires comme un milieu hétérogène : le tissu biologique non osseux est considéré comme un milieu homogène, dans lequel les premières ondes ultrasonores se sont propagées à la vitesse préalablement déterminée.

Par ailleurs, l’os B est considéré comme un autre milieu homogène dans lequel ces premières ondes se sont propagées à des vitesses calculées au moyens des deux fonctions de Thomsen décrites plus haut, en faisant l’hypothèse que les paramètres et utilisés par ces fonctions sont respectivement égaux aux deux valeurs candidates, et que les paramètres et sont égaux aux valeurs déterminées précédemment aux étapes 204 et 206.

Il est en outre considéré que le périoste, dont on connait la localisation grâce aux données obtenues lors de l’étape 104, induit une réfraction des premières ondes.

Le processeur 8 calcule ensuite des durées de propagation des premières ondes passées par le point P via les premières trajectoires estimées.

Une durée de propagation se décompose en une durée de propagation depuis l’émetteur d’indice i jusqu’au point P, et une durée de propagation depuis le point P jusqu’au récepteur d’indice j.

Le processeur 8 calcule ensuite une intensité d’un pixel de la première image I1 au point P considéré, à partir des durées de propagation estimées, des premiers signaux d’écho et des positions des émetteurs et des récepteurs.

L’intensité I du point P est typiquement calculée via la formule ci-dessous :

dans laquelle :

désigne une donnée représentative d’un premier signal d’écho reçu à l’instant t par le récepteur d’indice j, l’écho provenant d’une première onde initialement émise par l’émetteur d’indice i,
désigne un poids obtenu par application d’une fonction de pondération W prédéterminée.

Typiquement, la fonction de pondération W est une fonction fenêtre d'observation (également appelée fenêtre de pondération ou d'apodisation dans la littérature). On a si l’angle du segment de trajet retour de la première onde allant du point P au récepteur d’indice j, par rapport à une direction normale à un plan d’émission/réception de la sonde 2, est inférieur à un seuil angulaire prédéterminé, et l’on a sinon. Ce seuil angulaire est par exemple fixé à 50 degrés (cet angle correspondant à une perte de sensibilité d’un récepteur de l’ordre de 50%).

En répétant les sous-étapes qui précèdent en plusieurs points P, on peut construire entièrement la première image I1.

Dans une autre variante de réalisation, la première image I1 est construite au moyen de la méthode dite de migration par renversement temporel (« Reverse Time Migration » en anglais, abrégé en RTM). Cette méthode est une méthode d’imagerie alternative aboutissant à une image représentant la réflectivité d’une région en tout point de celle-ci. Elle suppose la connaissance de la géométrie du milieu étudié et de la vitesse de propagation des premières ondes en chaque point. L’image de réflectivité est obtenue en calculant, en tout point de l’image, une corrélation temporelle entre un champ incident généré par la source et le champ rétro-propagé enregistré par les récepteurs. Ces champs sont obtenus en résolvant numériquement l’équation des ondes acoustiques (ou élastiques), en utilisant respectivement la forme d’onde générée par un émetteur et les signaux d’écho enregistrés par les récepteurs (renversés dans le temps) comme conditions aux limites. Ces opérations doivent être répétées pour chaque émission. L’image finale est obtenue en sommant les images obtenues pour chaque émission. Cette méthode est néanmoins beaucoup plus coûteuse en temps de calcul que celle utilisée dans la variante de réalisation préférée décrite précédemment.

Quelle que soit la variante de réalisation utilisée, la première image I1 est construite en utilisant sélectivement les signaux d’écho des premières ondes, qui se sont propagées en suivant des trajectoires particulières (les premières trajectoires), avec une évolution de mode particulière (pas de changement de mode à la traversée du périoste PE et à la réflexion sur l’endoste E). Ainsi, les deuxièmes, troisièmes ou quatrièmes signaux d’écho, si présents, ne sont pas utilisés pour construire la première image I1.

La deuxième image I2, la troisième image I3 et la quatrième image I4 sont construites à l’aide de l’une des variantes de réalisation décrites ci-dessus, la seule différence résidant bien entendu dans les signaux d’écho sélectivement utilisés à chaque fois. Ainsi, seuls les deuxièmes signaux d’écho sont utilisés pour construire la deuxième image I2, seuls les troisièmes signaux d’écho sont utilisés pour construire la troisième image I3, et seuls les quatrièmes signaux d’écho sont utilisés pour construire la quatrième image I4.

Comme le montrent lesfigures 9a à 9d, les images I1-I4 construites au cours de l’étape 300 donnent des informations visuelles différentes sur le tissu osseux cortical et l’endoste. Ceci provient du fait que ces images ont été construites sur la base d’ondes ayant suivi des trajectoires différentes, et dont les modes ont évolué de manière différente au cours de leur propagation dans l’os B.

Le processeur 8 génère par la suite une image composite IC à partir de la pluralité d’image précédemment construite (étape 302). Cette image composite IC, dont un exemple est représenté enfigure 9e, réunir ainsi les différentes informations visuelles mentionnées ci-dessus, de manière synergique. Ainsi, l’image composite IC donne davantage d’information visuelle sur l’os que chaque image de la pluralité d’image prise individuellement.

L’image composite IC peut être une somme pondérée de la pluralité d’image. Il est en particulier possible de mettre en œuvre une composition incohérente (« incoherent compounding » en anglais) des enveloppes respectives des images de la pluralité d’images.

Le processeur 8 calcule ensuite une métrique représentative d’une qualité de mise au point dans une région d’intérêt de l’image composite IC (étape 304). La région d’intérêt choisie est typiquement une région montrant l’endoste E et/ou le tissu osseux cortical de l’os (milieu interne).

La métrique est de préférence fonction d’une intensité moyenne et/ou d’un contraste moyen dans la région d’intérêt considérée dans l’image composite IC.

La métrique est typiquement l’une ou une combinaison des métriques suivantes, connues de l’état de la technique :

La métrique d’intensité de l’image,
La métrique d’énergie spectrale latérale décrite dans le document « Sound Speed Correction in ultrasound image » par D. Napolitano, C. Chou, G. McLaughlin et al., publié en 2006,
la métrique dite de « critère de netteté par la méthode de Brenner » ou la métrique dite de « critère de netteté par la méthode de Tenenbaum » ou la métrique appelée « critère de netteté par la méthode de la variance normalisée », toutes décrites dans le document « Automatic sound speed selection in photoacoustic image reconstruction using an autofocus approach », par B. Treeby, T. Varslot, E. Zhang et al., publié en 2011.

Les étapes 300, 302 et 304 sont répétées pour différentes paires de valeurs candidates pour les paramètres et . A l’issue de cette répétition, sont ainsi obtenues autant de métriques que de paires de valeurs candidates utilisées.

Le processeur 8 sélectionne ensuite en tant que valeurs définitives pour les paramètres et une paire de valeurs optimale parmi les paires de valeurs candidates utilisées (étape 306). Le processeur 8 se base pour cela sur les métriques calculées.

La paire de valeurs candidate sélectionnée au cours de l’étape 306 est celle qui a servi de donnée d’entrée pour produire une image composite IC dont la métrique associée est indicative d’une qualité de mise au point maximale dans la région d’intérêt considérée, parmi toutes les métriques calculées. Typiquement, lorsque l’une des méthodes listées ci-dessus est utilisée pour calculer la métrique, on recherche la métrique de valeur maximale parmi toutes les métriques calculées.

En définitive, une paire de valeurs candidates ayant été utilisée est sélectionnée au non à l’étape 306 en fonction de la métrique ayant été calculée sur la base de cette paire.

Le processeur 8 connaît désormais les quatre paramètres de Thomsen , , , ∈, qui constituant des caractéristiques renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonores dans l’os B.

De retour à lafigure 6, ces paramètres peuvent être exploitées avantageusement de la manière suivante.

Le processeur 8 localise l’endoste E (étape 210) dans l’une des images construites au cours de l’étape 208. Au cours de l’étape de localisation 210, le processeur 8 génère des données de localisation de l’endoste E.

La localisation 210 de l’endoste E comprend conventionnement les sous-étapes suivantes :

L’image choisie pour la localisation fait l’objet d’une segmentation, de sorte à identifier un groupe de pixels montrant l’endoste E (cette segmentation comprenant par exemple la mise en œuvre d’un algorithme de Djikstra connu de l’état de la technique).
ce groupe de pixels est approximé en une courbe de démarcation définie par un polynôme, par exemple une parabole.

Les données de localisation de l’endoste E obtenues lors de l’étape 210 diffèrent de celles obtenues lors de l’étape 110 en ce qu’elle se fondent sur des images dans des plans différents (plan transverse pour l’étape 110 contre plan longitudinal pour l’étape 210).

Préférentiellement, la localisation 210 est mise en œuvre dans l’une des images construites sur la base des valeurs candidates ayant été sélectionnées en tant que valeurs pour les paramètres au cours de l’étape 306. Cette image peut ainsi être la première image I1, la deuxième image I2, la troisième image I3, la quatrième image I4 ou l’image composite IC. Ceci a pour avantage de localiser l’endoste E de manière plus précise du fait de la haute qualité de mise au point ces images parmi toutes celles qui ont été construites par le processeur 8.

Très préférentiellement, c’est la première image I1 construite sur la base des valeurs candidates ayant été sélectionnées en tant que valeurs pour les paramètres au cours de l’étape 306 qui est utilisée pour la localisation de l’endoste au cours de l’étape 210. En effet, c’est cette première image I1 qui permet de localiser de manière la plus précise l’endoste E, cette première image I1 étant associées aux ondes ayant un mode qui ne change pas en traversant le périoste PE et qui ne change pas en se réfléchissant sur l’endoste E.

Ensuite, le processeur 8 estime une épaisseur de l’os B, mesurée entre le périoste PE et l’endoste E (étape 212). Cette épaisseur est estimée sur la base des données de localisation obtenues aux étapes 106 et 210.

L’épaisseur estimée à l’étape 212 constitue une information complémentaire et de l’épaisseur estimée à l’étape 112. En effet, l’épaisseur estimée à l’étape 212 est une épaisseur mesurée dans un plan longitudinal de l’os B, alors que l’épaisseur estimée à l’étape 112 est une épaisseur mesurée dans un plan transverse de l’os B. Ces deux épaisseurs sont généralement différentes, et constituent donc des informations mutuellement complémentaires.

3) Deuxième mode de réalisation de procédé de caractérisation, fondé sur un modèle d’isotropie élastique

Dans le premier mode de réalisation de procédé décrit ci-dessus, il a été fait l’hypothèse assez réaliste que l’os est un milieu élastiquement anisotrope, mais élastiquement isotrope dans son plan transverse.

On va à présent décrire un procédé selon un deuxième mode de réalisation dans lequel il est fait l’hypothèse que l’os B est élastiquement isotrope. Autrement dit, il est considéré que la vitesse de propagation du son dans l’os B est la même dans toutes les directions. Ce modèle est plus approximatif que celui utilisé dans le premier mode de réalisation décrit précédemment, mais présente l’avantage de conduire à des traitements plus simples, qui vont être à présents décrits.

En référence à lafigure 10, le procédé selon ce deuxième mode de réalisation comprend les étapes 100, 102, 104, 106, 200, 202 décrites précédemment.

Le processeur 8 détermine conjointement deux vitesses sur la base des signaux d’écho reçus à l’étape 202 : une vitesse de propagation d’ondes de compression dans l’os , et une vitesse de propagation d’ondes de cisaillement dans l’os (étape 209).

En référence à lafigure 11, l’étape 209 comprend les sous-étapes suivantes.

Le processeur 8 construit une pluralité d’images montrant chacune l’endoste E (interface interne) et le tissu osseux cortical de l’os (milieu interne) (étape 400). Pour cette étape 400, les données d’entrée suivantes sont utilisées par le processeur 8 :

Les signaux d’écho acquis à l’étape 202.
Les données de localisation du périoste PE (interface externe) obtenues à l’étape 106.
La vitesse du son dans le tissu biologique non osseux (milieu externe) déterminée à l’étape 108.
Deux valeurs candidates qui sont disponibles dans la mémoire 10.

Au cours de l’étape 400, le processeur 8 met en œuvre un traitement faisant l’hypothèse que les vitesses et sont respectivement égales à ces deux valeurs candidates. Cette hypothèse est donc différente de celle utilisée au cours de l’étape 300 faisant partie du procédé selon le premier mode de réalisation.

Hormis cette différence d’hypothèse, tous les autres principes de l’étape 300 décrits précédemment peuvent être repris dans l’étape 400. La pluralité d’images construite au cours de l’étape 400 peut ainsi comprendre :

Le processeur 8 génère par la suite une image composite IC sur la base de la pluralité d’image (étape 402). Cette étape 402 peut être identique à l’étape 302.

Le processeur 8 calcule ensuite une métrique représentative d’une qualité de mise au point dans une région d’intérêt de l’image composite IC (étape 404). La région d’intérêt choisie est typiquement une région montrant l’endoste E et/ou le tissu osseux cortical de l’os (milieu interne). Cette étape 404 peut être identique à l’étape 304.

Les étapes 400, 402 et 404 sont répétées pour différentes paires de valeurs candidates pour les vitesses et . A l’issue de cette répétition, sont ainsi obtenues autant de métriques que de paires de valeurs candidates utilisées.

Le processeur 8 sélectionne ensuite en tant que valeurs définitives pour les vitesses et une paire de valeurs optimale parmi les paires de valeurs candidates utilisées (étape 406). Le processeur 8 se base pour cela sur les métriques calculées. Les principes mis en œuvre dans l’étape 306 sont applicables à l’étape 406.

En définitive, les étapes 208 et 209 ont pour point commun de déterminer deux paramètres renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonore dans l’os B. Dans l’étape 208 utilisée dans le premier mode de réalisation, ces deux paramètres sont les paramètres de Thomsen. Dans l’étape 209, utilisée dans le deuxième mode de réalisation, ces deux paramètres sont les vitesses et .

Les étapes 210, 212 sont mises en œuvre comme dans le premier mode de réalisation. Les mêmes principes s’appliquent concernant la sélection de l’image utilisée pour procéder à la localisation de l’endoste E.

4) Autres applications

Bien qu’avantageux pour caractériser un os, le système 1 et les procédés décrits ci-dessus trouvent également application pour la caractérisation d’autres objets, pourvu que les conditions suivantes soient satisfaites.

L’objet à caractériser comprend :

Une interface externe (le périoste PE, lorsque cet objet est l’os B) susceptible d’être traversée par des ondes ultrasonores.
Un milieu interne (le tissu osseux cortical, lorsque cet objet est l’os B) dans lequel les ondes ultrasonores peuvent se propager.
Une interface interne (l’endoste E, lorsque cet objet est l’os B) susceptible de réfléchir les ondes ultrasonores.

En revanche, l’objet n’est pas nécessairement de forme tubulaire ou globalement tubulaire, comme c’est le cas de l’os B. L’objet peut par exemple être en forme de plaque, les interfaces interne et externe définissant alors deux côtés opposés d’une telle plaque.

Par exemple, le milieu interne comprend des pores contenant un fluide et orientés dans une même direction longitudinale, ou des fibres solides orientées dans une même direction longitudinale, par exemple des fibres de verre ou de carbone.

L’objet peut en particulier imiter un os, et être destiné à être utilisé à fins d’entraînement par du personnel médical.

Claims

Procédé de caractérisation d’un objet (B) comprenant une interface externe (PE), une interface interne (E) et un milieu interne situé entre l’interface externe (PE) et l’interface interne (E), le procédé comprenant des étapes de :
- émission (200), par des émetteurs, d’ondes ultrasonores vers l’objet (B), de sorte que les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu externe (T) situé entre les émetteurs et l’objet (B), puis entrent dans l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), puis se réfléchissent sur l’interface interne (E), puis sortent de l’objet (B) en traversent à nouveau l’interface externe (PE), les ondes ultrasonores comprenant des premières ondes ayant un mode qui évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), et des deuxièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), la deuxième évolution étant différente de la première évolution,
- réception (202), par des récepteurs, de signaux d’écho des ondes ultrasonores après leur sortie de l’objet (B), les signaux d’écho comprenant des premiers signaux représentant des échos des premières ondes, et des deuxièmes signaux représentant des échos des deuxièmes ondes,
- détermination (208, 209) de deux caractéristiques de l’objet (B) renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonores dans l’objet (B), la détermination des deux caractéristiques de l’objet (B) comprenant les sous-étapes suivantes :
a) construction (300, 400) d’une pluralité d’images montrant l’interface interne (E) et le milieu interne, la pluralité d’images étant construite à partir des signaux d’écho, de données de localisation de l’interface externe (PE), d’une vitesse du son dans le milieu externe (T) et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet (B) sont respectivement égales à deux valeurs candidates, la pluralité d’image comprenant une première image (I1) associée aux premières ondes et construite à partir des premiers signaux, et une deuxième image (I2) associées aux deuxièmes ondes et construite à partir des deuxièmes signaux,
b) construction (302, 402) d’une image composite (IC) à partir de la pluralité d’images,
c) calcul (304, 404) d’une métrique indicative d’une qualité de mise au point de l’interface interne (E) et/ou du milieu interne dans l’image composite (IC),
d) en fonction de la métrique, sélection (306, 406) ou non des deux valeurs candidates en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet (B).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
- les ondes ultrasonores comprennent des troisièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une troisième évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), la troisième évolution étant différente de la première évolution et de la deuxième évolution,
- les signaux d’écho comprennent des troisièmes signaux représentant des échos des troisièmes ondes,
- la pluralité d’images comprend une troisième image (I3) associée aux troisièmes ondes et construite à partir des troisièmes signaux.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel :
- les ondes ultrasonores comprennent des quatrièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une quatrième évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), la quatrième évolution étant différente de la première évolution, de la deuxième évolution et de la troisième évolution,
- les signaux d’écho comprennent des quatrièmes signaux représentant des échos des quatrièmes ondes,
- la pluralité d’images comprend une quatrième image (I4) associée aux quatrièmes ondes et construite à partir des quatrièmes signaux.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les ondes ultrasonores comprennent :
- des ondes (PPPP) ayant un mode qui ne change pas en traversant l’interface externe (PE) et qui ne change pas en se réfléchissant sur l’interface interne (E), et/ou
- des ondes (PSSP) ayant un mode qui change dans lors de leur entrée dans l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), qui ne change pas lors de leur réflexion sur l’interface interne (E), et qui change à nouveau lors de leur sortie de l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), et/ou
- des ondes (PSPP) ayant un mode qui change lors de leur entrée dans l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), qui change à nouveau lors de leur réflexion sur l’interface interne (E), et qui ne change pas lors de leur sortie de l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), et/ou
- des ondes (PPSP) ayant un mode qui ne change pas lors de leur entrée dans l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), qui change lors de leur réflexion sur l’interface interne (E), et qui change à nouveau lors de leur sortie de l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les ondes ultrasonores sont des ondes de compression à leur émission.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les deux caractéristiques de l’objet (B) comprennent un paramètre d’anisotropie élastique ( ) de l’objet (B) et une vitesse de propagation ( ) d’ondes de cisaillement à polarisation verticale dans l’objet (B) dans une direction de propagation parallèle ou perpendiculaire à un axe longitudinal de l’objet (B).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pluralité d’images est construite sous l’hypothèse que l’objet (B) est élastiquement isotrope dans un plan perpendiculaire à un axe longitudinal de l’objet (B).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les deux paramètres sont adaptés pour définir, en combinaison avec deux autres paramètres ( , ) :
- une fonction de calcul ( ) d’une vitesse de propagation d’un onde de compression dans l’objet (B) dans une direction de propagation quelconque, et
- une fonction de calcul ( ) d’une vitesse de propagation dans l’objet (B) d’une onde de cisaillement à polarisation verticale dans une direction de propagation quelconque.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les deux autres paramètres ( , ) comprennent une vitesse de propagation ( ) d’ondes de compression dans une direction axiale de l’objet (B), et un autre paramètre d’anisotropie élastique ( ) de l’objet (B).
Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les deux caractéristiques de l’objet (B) comprennent une vitesse de propagation ( ) d’ondes de compression dans l’objet (B) et une vitesse de propagation ( ) d’ondes de cisaillement dans l’objet (B).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la pluralité d’images est construite sous l’hypothèse que l’objet (B) est élastiquement isotrope.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la construction d’une image de référence comprise dans la pluralité d’image, associée à des ondes de référence, comprend :
- une estimation de trajectoires suivies par les ondes de référence, à partir de signaux de référence représentant des écho des ondes de référence, des données de localisation de l’interface externe (PE), et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet (B) sont respectivement égales aux deux valeurs candidates,
- un calcul de durées de propagation des ondes ultrasonores via les trajectoires estimées,
- calcul d’une intensité d’un pixel de l’image de référence, à partir des durées de propagation, des signaux de référence et de positions des émetteurs et des récepteurs.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la construction de l’image composite (IC) comprend une somme pondérée de la pluralité d’images.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une répétition des sous-étapes a) à c) pour différentes paires de valeurs candidates, de sorte à obtenir une pluralité de métriques, l’une des paires de valeurs candidates étant sélectionnée à l’étape d) en fonction de la pluralité de métriques.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une localisation (210) de l’interface interne (E) dans une image construite lors d’une mise en œuvre de l’étape a) ou de l’étape b), de sorte à générer des données de localisation de l’interface interne (E).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’interface interne est localisée dans une image construite à partir de deux valeurs candidates sélectionnées à l’étape d) en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet (B).
Procédé selon l’une des revendications 15 et 16, dans lequel l’interface interne (E) est localisée dans une image construite à partir de signaux d’écho d’ondes ayant un mode qui ne change pas en traversant l’interface externe (PE) et qui ne change pas en se réfléchissant sur l’interface interne (E).
Procédé selon l’une des revendications 15 à 17, comprenant une estimation (212) d’une épaisseur de l’objet (B) entre l’interface externe (PE) et l’interface interne (E), à partir des données de localisation de l’interface externe (PE) et des données de localisation de l’interface interne (E).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’objet (B) est un os, l’interface externe (PE) est un périoste de l’os, l’interface interne (E) est un endoste de l’os, et le milieu interne est un tissu cortical de l’os.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le milieu interne comprend des pores contenant un fluide ou des fibres solides orientées dans une même direction longitudinale.
Système (1) de caractérisation d’un objet (B), le système comprenant :
- des émetteurs (6) configurés pour émettre des ondes ultrasonores vers l’objet (B), de sorte que les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu externe (T) situé entre les émetteurs et l’objet (B), puis entrent dans l’objet (B) en traversant l’interface externe (PE), puis se réfléchissent sur l’interface interne (E), puis sortent de l’objet (B) en traversent à nouveau l’interface externe (PE), les ondes ultrasonores comprenant des premières ondes ayant un mode qui évolue selon une première évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), et des deuxièmes ondes ayant un mode qui évolue selon une deuxième évolution au cours de leur propagation dans l’objet (B), la deuxième évolution étant différente de la première évolution,
- des récepteurs (6) configurés pour recevoir des signaux d’écho des ondes ultrasonores après leur sortie de l’objet (B), les signaux d’écho comprenant des premiers signaux représentant des échos des premières ondes, et des deuxièmes signaux représentant des échos des deuxièmes ondes,
- un dispositif de traitement (4) configuré pour déterminer deux caractéristiques de l’objet (B) renseignant sur la propagation d’ondes ultrasonores dans l’objet (B), la détermination des deux caractéristiques de l’objet (B) comprenant les sous-étapes suivantes :
a) construction d’une pluralité d’images montrant l’interface interne (E) et le milieu interne, la pluralité d’images étant construite à partir des signaux d’écho, de données de localisation de l’interface externe (PE), d’une vitesse du son dans le milieu externe (T) et sous l’hypothèse que les deux caractéristiques de l’objet (B) sont respectivement égales à deux valeurs candidates, la pluralité d’image comprenant une première image (I1) associée aux premières ondes et construite à partir des premiers signaux, et une deuxième image (I2) associées aux deuxièmes ondes et construite à partir des deuxièmes signaux,
b) construction d’une image composite (IC) à partir de la pluralité d’images,
c) calcul d’une métrique indicative d’une qualité de mise au point de l’interface interne (E) et/ou du milieu interne dans l’image composite (IC),
d) en fonction de la métrique, sélection ou non des deux valeurs candidates en tant que valeurs respectives des deux caractéristiques de l’objet (B).