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Un modèle prédictif pour la conception de fantômes à ultrasons - Par : Jawad Dahmani, Catherine Laporte, Daniel Pereira, Pierre Belanger, Yvan Petit,

Un modèle prédictif pour la conception de fantômes à ultrasons


Jawad Dahmani
Jawad Dahmani a obtenu son baccalauréat en ingénierie électronique en France en 2010. Il est actuellement candidat au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur les ultrasons 3D.
Programme : Génie électrique 

Catherine Laporte
Catherine Laporte Profil de l'auteur(e)
Catherine Laporte est professeure au Département de génie électrique à l’ÉTS. Ses recherches portent sur le développement de techniques d’analyse d’images pour faciliter les échographies et les applications émergentes d’imagerie médicale.
Programme : Génie électrique 

Daniel Pereira
Daniel Pereira est un chercheur postdoctoral à Olympus IMS. Il a obtenu son Ph.D en génie mécanique à L'ÉTS en 2019.
Programme : Génie électrique 

Pierre Belanger
Pierre Belanger Profil de l'auteur(e)
Pierre Bélanger est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les ultrasons, les ondes guidées, le contrôle non destructif, la surveillance d’intégrité structurale et l’élastographie dynamique.
Programme : Génie mécanique 

Yvan Petit
Yvan Petit est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur la conception assistée par ordinateur, la biomécanique, les dispositifs médicaux et de protection et la fabrication additive.

Machine à échographie

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur

RÉSUMÉ:

Les fantômes sont des dispositifs permettant de reproduire certaines caractéristiques (mécaniques, acoustiques, etc.) du vivant de manière contrôlée pour valider des techniques d’imagerie médicale. En particulier en échographie, l'utilisation de fantômes mécaniquement représentatifs des tissus biologiques est importante pour la validation expérimentale d’algorithmes de traitement d’image, tel que le recalage ou l’élastographie. Cet article propose un modèle permettant de prédire le module élastique d'un fantôme représentant des tissus mous biologiques grâce à deux paramètres très facilement ajustables : la concentration de gélatine et la durée de réfrigération. Le fantôme est réalisé grâce une procédure de fabrication simple et peu coûteuse utilisant de la gélatine commerciale, ainsi que de la fibre mucilloïde hydrophile de psyllium pour obtenir une texture d’image similaire aux images échographiques. Une large gamme de propriétés élastiques permettant d'imiter les tissus mous humains normaux et pathologiques (15 kPa-100 kPa) est obtenue en ajustant la concentration de gélatine et le temps de réfrigération. Mots-clés : fantôme, propriétés mécaniques, propriétés acoustiques, échographie, élastographie

Les fantômes à ultrasons

images obtenues par ultrasons

Figure 1 Image échographie

Les fantômes sont des dispositifs permettant de reproduire certaines caractéristiques du vivant à des fins de validation de techniques d’imagerie médicale. Plus particulièrement, les fantômes ultrasonores possèdent des paramètres mécaniques et acoustiques qui s’apparentent à ceux des tissus biologiques, permettant ainsi de fournir des images échographiques réalistes. Leur avantage principal est leur capacité à simuler une grande variété de géométries et de paramètres mécaniques et acoustiques, qui permettent de valider des techniques d’imagerie (recalage, segmentation, etc.) dans des conditions réalistes et maîtrisées. Dans la plupart des cas, les fantômes sont conçus pour avoir des propriétés mécaniques et acoustiques les plus proches possible des organes ciblés par les applications développées (reins, foie, seins …).

En élastographieDéf. « L’élastographie est une technique d’imagerie relativement récente datant des années 90 développée pour évaluer les différences de rigidité au niveau de l’anatomie. Son objectif est de fournir une image quantitative de l’élasticité des tissus biologiques. Cette information est notamment utilisée pour la détection de pathologies. La technique d’élastographie peut être réalisée avec plusieurs types de modalités d’imagerie. » (échographie, IRM), par exemple, une technique permettant d’estimer les propriétés mécaniques de tissus biologiques à des fins de diagnostic, l’utilisation de fantômes permet de comparer les résultats de l’algorithme testé avec les propriétés connues du fantôme.

Plusieurs fantômes commerciaux permettent déjà de reproduire des configurations très variées avec une précision importante. Toutefois, ces fantômes sont très coûteux. De plus, lorsqu’il est question de reproduire des configurations qui peuvent varier tout au long des phases de test (différentes géométries, différentes propriétés mécaniques et acoustiques), des fantômes faits maison sont plus appropriés.

Plusieurs travaux scientifiques rapportés dans la littérature proposent des recettes pour préparer des fantômes, tout en caractérisant leurs propriétés mécaniques et acoustiques. Cependant, aucune étude ne fournit de mode d’emploi précis permettant d’atteindre des propriétés mécaniques bien définies. En d’autres termes, aucune étude ne fournit un modèle prédictif validé permettant de déterminer le module élastique d’un fantôme simulant des tissus mous à l’aide de paramètres facilement ajustables.

Fantôme échographique fait de gélatine réfrigérée

Figure 2 : Fantôme échographique fabriqué en laboratoire

Un modèle prédictif du module élastique

L’étude réalisée fournit un modèle pour prédire le module élastique d’un fantôme, en ajustant des paramètres facilement ajustables (concentration de gélatine et temps de réfrigération), tout en utilisant une recette simple, rapide et peu coûteuse couramment utilisée dans le milieu des échographies médicales. Cette recherche aidera ainsi à systématiser la conception des fantômes par les chercheurs œuvrant dans les domaines de l’échographie et de l’élastographie. En fonction de l’élasticité du fantôme souhaitée, l’utilisateur peut choisir les proportions et le processus de fabrication approprié en utilisant une fonction prédictive. Plusieurs tissus mous biologiques normaux et pathologiques peuvent être représentés par la recette proposée, tels que de la graisse normale du sein (module élastique de 19 kPa), un tissu fibreux mammaire (107 kPa), ou encore un tissu prostatique normal (69 kPa).

L’étude a montré, entre autres, que le module élastique d’un fantôme peut être ajusté à l’intérieur d’une plage allant de 14 kPa à 103 kPa en faisant varier la concentration en gélatine dans le mélange de 5 g/100 ml à 20 g/100 ml. De plus, l’étude révèle que la durée de réfrigération n’augmente le module élastique que lorsque l’on passe de 2 heures à 24 heures, et de 2 heures à 42 heures, après quoi le module élastique diminue. L’analyse statistique confirme que la concentration de gélatine et le temps de réfrigération sont des paramètres de contrôle statistiquement significatifs dans le modèle.

Échantillons pour la caractérisation mécanique

Figure 3 : Échantillons de fantômes pour la caractérisation mécanique

Essais de traction sur fantômes

Figure 4 : Essais de traction pour différentes concentrations de gélatine

Le modèle de prédiction permet d’estimer le temps de réfrigération et la concentration de gélatine optimaux permettant d’obtenir un module d’élasticité ciblé avec un intervalle de confiance élevé (> 95 %).  Le modèle prédictif du module élastique a été validé sur de petits échantillons cylindriques (< 20 ml) et des fantômes à grande échelle, tels qu’utilisés en échographie et en élastographie (600 ml). Les résultats ont montré que le modèle permet une bonne prédiction du module élastique (erreur < 16 %) dans les deux cas.

Module élastique vs concentration de gélatine et temps de réfrigération

Figure 5 : Module élastique selon la concentration de gélatine et la durée de réfrigération

Concernant les propriétés acoustiques, les résultats de l’étude ont montré que l’augmentation de la concentration en gélatine permet d’augmenter l’atténuation et l’impédance acoustique tout en entraînant une diminution de la vitesse du son dans le fantôme. L’augmentation de la période de réfrigération augmente, quant à elle, le coefficient d’atténuation pour toutes les concentrations de gélatine.

caractérisation acoustique de fantômes

Figure 6 : Montage utilisé pour la caractérisation acoustique

L’impédance acoustique atteinte par le fantôme étudié est comparable à celles des tissus mous biologiques. Concernant le coefficient d’atténuation estimé, les résultats montrent que seules certaines configurations de concentration en gélatine et de durée de réfrigération permettent d’atteindre des valeurs comparables aux fantômes à base de gélatine et les tissus mous biologiques documentés dans la littérature. Enfin, en ce qui concerne la vitesse du son, les valeurs estimées sont inférieures à celles rapportées pour les tissus mous biologiques (1560 m/s en moyenne). Cependant, plusieurs additifs sont proposés dans la littérature permettant d’ajuster les paramètres acoustiques, dont la vitesse du son.

En ce qui a trait à la texture des images échographiques obtenues par le fantôme proposé, elle est reproduite grâce à l’utilisation de la fibre mucilloïde hydrophile (Metamucil, disponible à faible coût dans toutes les pharmacies).  Une étude statistique a montré par ailleurs que la concentration du Metamucil dans le mélange affecte la texture des images échographiques.

texture échographie vs concentration en gélatine des fantômes

Figure 7 : Texture échographique obtenue à différentes concentrations de gélatine

Conclusion

Cette étude fournit un modèle prédictif de l’élasticité en fonction de deux paramètres facilement ajustables : la concentration de gélatine et le temps de réfrigération. Ce modèle peut être utilisé comme guide pour concevoir des fantômes imitant les tissus humains et atteindre un module d’élasticité cible avec un bon intervalle de confiance, ce qui représente une contribution pratique importante pour le domaine. Le fantôme est produit en utilisant une recette simple, rapide et peu coûteuse avec des ingrédients accessibles et permet d’imiter plusieurs tissus biologiques sains et pathologiques, d’une gamme de propriétés élastiques variant entre 15 kPa et 100 kPa. Les paramètres acoustiques (vitesse du son, impédance acoustique) du fantôme sont également comparables aux tissus biologiques, donc fournissent une bonne qualité d’images échographique.

Informations supplémentaires

Pour plus de détails sur ce projet de recherche, consulter l’article suivant :

Dahmani, J.; Laporte, C. Pereira, D; Bélanger, P. Petit, Y. 2020. « Predictive Model for Designing Soft-Tissue Mimicking Ultrasound Phantoms with Adjustable Elasticity ». IEEE, Volume 67, Issue 4, pp. 715-726.

Jawad Dahmani

Profil de l'auteur(e)

Jawad Dahmani a obtenu son baccalauréat en ingénierie électronique en France en 2010. Il est actuellement candidat au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur les ultrasons 3D.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LATIS – Laboratoire de traitement de l'information en santé 

Profil de l'auteur(e)

Catherine Laporte

Profil de l'auteur(e)

Catherine Laporte est professeure au Département de génie électrique à l’ÉTS. Ses recherches portent sur le développement de techniques d’analyse d’images pour faciliter les échographies et les applications émergentes d’imagerie médicale.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LATIS – Laboratoire de traitement de l'information en santé  LIVIA – Laboratoire d'imagerie, de vision et d'intelligence artificielle 

Profil de l'auteur(e)

Daniel Pereira

Profil de l'auteur(e)

Daniel Pereira est un chercheur postdoctoral à Olympus IMS. Il a obtenu son Ph.D en génie mécanique à L'ÉTS en 2019.

Programme : Génie électrique 

Profil de l'auteur(e)

Pierre Belanger

Profil de l'auteur(e)

Pierre Bélanger est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les ultrasons, les ondes guidées, le contrôle non destructif, la surveillance d’intégrité structurale et l’élastographie dynamique.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : DYNAMO – Équipe de recherche en dynamique des machines, des structures et des procédés 

Profil de l'auteur(e)

Yvan Petit

Profil de l'auteur(e)

Yvan Petit est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur la conception assistée par ordinateur, la biomécanique, les dispositifs médicaux et de protection et la fabrication additive.

Programme : Génie mécanique  Génie technologies de la santé 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada en biomécanique des traumatismes à la tête et la colonne vertébrale 

Laboratoires de recherche : ÉREST – Équipe de recherche en sécurité du travail  LIO – Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie 

Profil de l'auteur(e)


Laboratoires de recherche :

LATIS – Laboratoire de traitement de l'information en santé 

Domaines d'expertise :

Imagerie médicale 

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