PROCEDE DE GENERATION D'ONDES MECANIQUES PAR GENERATION DE FORCE DE RADIATION ACOUSTIQUE INTERFACIALE

Description

Arrière-plan de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine général de l'imagerie médicale.

[0002] Plus particulièrement, l'invention s'intéresse à la génération d'ondes mécaniques au sein d'un milieu viscoélastique, de telles ondes mécaniques étant susceptibles d'être imagées afin de déterminer les propriétés du milieu viscoélastique.

[0003] La présente invention concerne ainsi plus précisément le domaine de l'élastographie.

[0004] Cette technique d'imagerie médicale permet de cartographier les propriétés mécaniques d'un milieu viscoélastique et de quantifier la rhéologie du milieu viscoélastique. Selon cette technique, un stimulus mécanique est généré et provoque le déplacement des tissus. On mesure alors la réponse spatiotemporelle du tissu à cette excitation mécanique. La mesure de la réponse spatiotemporelle est avantageusement réalisée grâce à une modalité d'imagerie, par exemple par échographie ou par résonance magnétique, etc.

[0005] Une fois le mouvement résultant de l'excitation mécanique connu, il est possible de déterminer les propriétés mécaniques du milieu.

[0006] En élastographie transitoire, l'excitation mécanique consiste en une impulsion mécanique courte ou en un faible nombre d'impulsions créées soit à la surface du corps, soit à l'intérieur même du tissu.

[0007] La qualité des images d'élastographie transitoire dépend, de manière cruciale, de l'amplitude des déplacements qu'il est possible de générer par la stimulation mécanique excitatrice.

[0008] On constate qu'en élastographie transitoire par sollicitation externe, l'amplitude de déplacement n'est limitée que par la vibration maximale surfacique que l'on peut induire au contact du milieu sans l'endommager. Les déplacements dans le tissu ainsi générés présentent aisément des amplitudes de l'ordre de 100 µm.

[0009] Ainsi, de manière générale, les déplacements résultant de l'excitation mécanique doivent être suffisamment grands pour être mesurables avec un minimum d'erreurs, tout en restant limités pour éviter tout effet nuisible dans le milieu, notamment lorsqu'il s'agit d'un tissu biologique.

[0010] La puissance générée est donc satisfaisante mais on sait que l'utilisation d'une sollicitation externe crée des problèmes techniques, comme l'encombrement du dispositif nécessaire à cette sollicitation, la synchronisation de l'excitation mécanique avec l'imagerie, la localisation de l'excitation mécanique, l'optimisation de l'amplitude de l'onde dans les zones d'intérêt en profondeur, etc.

[0011] Il existe aussi une élastographie transitoire où la sollicitation mécanique du milieu observé est créée par une force de radiation acoustique. Cette force de radiation est obtenue en focalisant un faisceau ultrasonore à l'intérieur du milieu. La focalisation du faisceau peut ici avoir lieu en une seule zone du milieu ou successivement en une pluralité de zones du milieu.

[0012] Le foyer, sur lequel converge le faisceau ultrasonore, est alors déplacé à une vitesse supérieure à la vitesse de propagation des ondes élastiques pour générer une onde élastique de déplacement d'amplitude maximale de l'ordre de 10 à 100 µm.

[0013] Cette onde de déplacement se propage alors dans le milieu. La mesure des propriétés de propagation de l'onde, observée par échographie, IRM ou une autre modalité d'imagerie, permet de déterminer des grandeurs mécaniques caractéristiques des tissus investigués. Il est possible de déterminer, entre autres, un module de cisaillement ou encore une viscosité, etc.

[0014] Le déplacement engendré par la force de radiation acoustique est lié à l'énergie déposée dans le tissu, et l'amplitude de l'onde mécanique générée est donc limitée par la puissance acoustique maximale que l'on peut envoyer dans le milieu observé sans altérer thermiquement ou mécaniquement le tissu.

[0015] La solution ultrasonore offre une simplicité de manipulation, une reproductibilité de la manière dont est générée la contrainte, une assurance quant à la synchronisation de l'excitation avec l'imagerie et une assurance quant à la localisation de l'excitation, mais souffre d'un manque de puissance.

[0016] US5477736 (A) décrit un transducteur ultrasonore qui génère des ondes avec une focalisation à l'intérieur d'un milieu à analyser.

[0017] US5903516 (A) divulgue un générateur d'une force de radiation acoustique utilisant deux ondes sécantes.

[0018] DE4229631 (A1) concerne une lentille comprenant un focus variable.

Objet et résumé de l'invention

[0019] La présente invention concerne un procédé d'imagerie d'un milieu viscoélastique selon la revendication 1 et une sonde d'imagerie selon la revendication 10.

[0020] La présente divulgation propose de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de génération d'ondes mécaniques au sein d'un milieu viscoélastique selon la revendication 1 comprenant une étape de génération d'une force de radiation acoustique au sein du milieu viscoélastique par application d'ondes acoustiques focalisées sur une interface délimitant deux zones possédant des propriétés acoustiques distinctes.

[0021] Avec un tel procédé de génération d'ondes mécaniques au sein d'un milieu viscoélastique, les amplitudes des déplacements induits sont plus élevées qu'avec une simple sollicitation ultrasonore par focalisation au sein d'un tissu.

[0022] Selon la divulgation, des ondes acoustiques sont focalisées à la profondeur et en direction d'une interface surfacique.

[0023] L'interface sur laquelle sont focalisées les ondes acoustiques, peut être une surface de séparation gel/peau ou eau/peau ou encore eau/membrane/peau, etc. La membrane peut être une membrane déformable ou non. L'interface peut aussi être située entre un milieu solide et un milieu liquide à l'intérieur du tissu imagé, ou entre deux milieux de propriétés acoustiques différentes à l'intérieur du tissu. Cela est, par exemple, le cas avec un milieu biologique comprenant un kyste. Avec le procédé selon l'invention, l'amplitude des déplacements générés est de l'ordre de 100 µm.

[0024] Selon un mode de réalisation préférentiel, l'étape de génération d'une force de radiation acoustique est couplée avec une étape d'imagerie du milieu, le couplage étant tel que l'on image la propagation des ondes mécaniques générées dans le milieu.

[0025] L'imagerie de la propagation des ondes peut être réalisée en une, deux ou trois dimensions. Dans un tel mode de réalisation préférentiel, une mesure d'élastographie du milieu est réalisée. Il s'agit de l'application préférentielle de l'invention, la focalisation à l'interface selon l'invention permettant une amélioration remarquable de la qualité de l'imagerie ainsi effectuée.

[0026] Selon une caractéristique de l'invention, les ondes acoustiques sont des ondes ultrasonores.

[0027] Les fréquences ultrasonores sont, en effet, adaptées à la génération d'une force de radiation permettant la création d'ondes de cisaillement au sein d'un milieu. De telles ondes de cisaillement sont communément utilisées en élastographie. De telles ondes de cisaillement appartiennent aux ondes mécaniques telles que générées selon le procédé de l'invention et ce sont elles qui sont imagées en général selon les procédés élastographiques.

[0028] Selon une caractéristique particulière, l'interface sur laquelle sont focalisées les ondes acoustiques est une interface présente entre deux zones de propriétés acoustiques distinctes présentes au sein du milieu viscoélastique.

[0029] Avec une telle caractéristique, on améliore considérablement la visibilité et la caractérisation des zones interfaciales au sein d'un milieu. En effet, l'observation de la propagation des ondes de cisaillement créées au niveau des interfaces présentes naturellement dans le corps humain, permet de caractériser d'autant mieux ces interfaces et les milieux qu'elles séparent.

[0030] Cette caractéristique sera donc particulièrement intéressante dans le cas de présence d'un kyste liquide, de vaisseaux sanguins ou encore de structures plus dures que les tissus mous, comme les os et les cartilages.

[0031] Selon une autre caractéristique particulière, l'interface sur laquelle sont focalisées les ondes acoustiques est une membrane artificielle placée au contact de la surface du milieu viscoélastique et entourant un milieu dit de couplage placé entre un dispositif destiné à appliquer les ondes acoustiques et la surface du milieu viscoélastique, le milieu de couplage et le milieu viscoélastique définissant deux zones de propriétés acoustiques distinctes.

[0032] Cette caractéristique s'avère particulièrement intéressante dans les applications où la présence d'un milieu artificiel est nécessaire. C'est le cas, en particulier, dans les procédés de thérapie par ultrasons focalisés où une membrane fine entourant un milieu de couplage est généralement utilisée pour réaliser le contact avec le tissu biologique.

[0033] Selon la divulgation, il est alors possible de mettre à profit une telle interface pour générer des ondes de cisaillement. Successivement à l'excitation, on utilise avantageusement un mode élastographique où une imagerie du milieu et de la propagation des ondes de cisaillement est réalisée. De la sorte, les propriétés viscoélastiques du tissu sont alors évaluées et suivies pendant un traitement thérapeutique.

[0034] Un tel suivi est particulièrement pertinent car il est bien connu que l'élasticité des tissus biologiques change lorsqu'ils sont dénaturés après une nécrose thermique cellulaire.

[0035] Selon une caractéristique avantageuse, la membrane artificielle présente une composition choisie pour minimiser le contraste d'impédance acoustique tout en augmentant l'amplitude des ondes mécaniques.

[0036] Selon une autre caractéristique avantageuse, la membrane artificielle présente une épaisseur choisie pour minimiser le contraste d'impédance acoustique tout en augmentant l'amplitude des ondes mécaniques.

[0037] Ces deux dernières caractéristiques permettent d'adapter aisément une membrane artificielle selon l'application visée, en modifiant sa composition, sa forme et/ou son épaisseur.

[0038] Il se trouve que le procédé de génération d'ondes mécaniques selon l'invention présente un grand intérêt pour l'imagerie de l'élasticité des zones superficielles des milieux biologiques.

[0039] En effet, comme les ondes de cisaillement sont générées à l'interface, cela permet d'obtenir des ondes d'amplitude très importante au niveau de la surface du tissu. Cette caractéristique n'est pas possible à réaliser avec la technique de pression de radiation en volume puisque les ondes générées atteignent généralement la surface du milieu très atténuées.

[0040] L'utilisation d'une membrane artificielle, par exemple la membrane d'une poche à eau, permet de générer une impulsion mécanique à un endroit prédéterminé de la surface du milieu. La technique selon l'invention est donc très intéressante pour l'imagerie élastographique de la peau, par exemple au niveau d'un mélanome ou des lésions superficielles comme par exemple certaines lésions du sein.

[0041] Cependant, il peut être intéressant de pouvoir générer des ondes de cisaillement en profondeur dans un milieu.

[0042] Ainsi, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la membrane artificielle présente une composition non uniforme et déterminée spatialement de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques dans une région d'intérêt du milieu viscoélastique.

[0043] Alternativement ou en plus de la caractéristique précédente, la membrane artificielle peut présenter une épaisseur non uniforme et déterminée spatialement de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques dans une région d'intérêt du milieu viscoélastique.

[0044] Avec ces caractéristiques de la membrane, il est possible d'utiliser la directivité des ondes de cisaillement pour concentrer les ondes mécaniques dans une zone d'intérêt. L'amplitude des ondes mécaniques dans cette zone en est donc d'autant augmentée.

[0045] Il est également possible que l'application d'ondes acoustiques focalisées sur une interface délimitant deux zones possédant des propriétés acoustiques distinctes soit réalisée successivement en une pluralité de points de l'interface, cette pluralité de points et la succession des focalisations étant déterminées de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques dans une région d'intérêt du milieu viscoélastique.

[0046] Avec cette caractéristique de focalisation dynamique, on peut alors, en quelque sorte, dessiner un motif sur l'interface. Selon la forme de ce motif, on augmente l'amplitude des ondes mécaniques dans une certaine zone d'intérêt par un phénomène d'interférence. Dans la succession dynamique des focalisations des faisceaux ultrasonores, le retard relatif de chaque faisceau ultrasonore focalisé en un point donné est choisi judicieusement de manière à ce que l'interférence soit positive au niveau de la zone d'intérêt. Les ondes mécaniques de cisaillement sont alors comme focalisée dans la zone d'intérêt.

[0047] Dans la divulgation, le procédé est couplé avec un procédé de traitement ultrasonore afin de suivre l'effet du traitement.

[0048] Avantageusement, le procédé de traitement ultrasonore est apte à être contrôlé en fonction des résultats de l'étape d'imagerie du milieu.

[0049] La divulgation concerne aussi une sonde d'imagerie portant le transducteur selon l'invention et une membrane artificielle destinée à être partiellement placée au contact de la surface d'un milieu viscoélastique et destinée à entourer un milieu dit de couplage placé entre un dispositif de génération d'ondes acoustiques et un milieu viscoélastique pour servir d'interface lors de la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention.

Brève description des dessins

[0050] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 illustre schématiquement une génération d'ondes mécaniques selon le procédé de l'invention,

La figure 2 illustre schématiquement la directivité des ondes de cisaillement dans un milieu biologique,

La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'une membrane artificielle selon l'invention,

Les figures 4a et 4b représente en coupe et en vue partielle de dessus un second mode de réalisation d'une membrane artificielle selon l'invention,

La figure 5 représente un mode de réalisation particulier de l'invention.

Description détaillée des modes de réalisation de l'invention

[0051] La figure 1 illustre schématiquement la génération d'ondes mécaniques dans un milieu 11 en utilisant un procédé selon l'invention. Dans cette figure, le procédé est appliqué à l'aide d'un transducteur 12 appliquant des ondes acoustiques focalisées au niveau d'une interface 13. Sur la figure 1, la focalisation des ondes est schématisée dans le plan de manière classique par deux lignes en pointillés sensiblement hyperboliques symétriques par rapport à la ligne médiane du transducteur 12 et se rapprochant l'une de l'autre à la profondeur de focalisation. Selon le procédé de l'invention, cette profondeur de focalisation est précisément choisie comme correspondant à la profondeur de l'interface.

[0052] Les ondes focalisées sont des ondes ultrasonores. Dans l'exemple de la figure 1, l'interface 13 est réalisée à l'aide d'une membrane artificielle entourant un milieu artificiel 14.

[0053] Les transferts de quantité de mouvements entre les milieux 14 et 11 permettent la création d'une force de radiation acoustique 15 qui, appuyant sur l'interface 13 du milieu 11, va pousser celui-ci et générer une onde mécanique au sein du milieu 11.

[0054] Selon l'invention, on stimule donc mécaniquement le milieu en utilisant une force de radiation acoustique 15 générée à l'interface 13 de deux milieux 11 et 14 disposant de propriétés acoustiques différentes.

[0055] La force de radiation acoustique est un phénomène caractéristique de toute propagation acoustique. Appliquée à un volume particulaire V, situé dans le milieu de propagation 11, elle est créée suite à un bilan non nul entre les flux rentrant et sortant de quantité de mouvement portée par l'onde acoustique. Ce bilan non nul moyenné sur de nombreux cycles ultrasonores résulte en une force F décrite par :

où p désigne la densité du milieu, p la pression, v la vitesse particulaire, n le vecteur unitaire normal à un élément dS de la surface du volume V, et les crochets désignent la prise de moyenne temporelle.

[0056] Ainsi, afin de comparer les amplitudes de la force de radiation acoustique engendrée par une focalisation à l'intérieur d'un milieu et de la force de radiation obtenue avec une focalisation sur une interface, il y a lieu de s'intéresser aux forces de radiation volumiques générées par absorption de l'énergie acoustique et aux forces de radiation surfaciques générées à l'interface de milieux présentant des propriétés de célérité et de densité différentes.

[0057] En considérant la propagation d'une onde acoustique d'intensité I et de vitesse c dans une direction notée Oz dans un milieu dissipatif avec un coefficient d'absorption ultrasonore noté a, il est commun d'exprimer la force de radiation par sa densité volumique f selon la formule :

[0058] Par ailleurs, on considère la propagation d'une onde ultrasonore dans un premier milieu 14 jusqu'à une interface 13 avec un milieu 11.

[0059] Grâce à un effet particulier de l'interface 13, une force surfacique de radiation 15 est générée localement sur l'interface 13, ce qui entraîne le déplacement du milieu 11 situé à proximité.

[0060] Cette poussée de l'interface permet de générer, comme vu précédemment, des ondes mécaniques de forte amplitude qui se propagent dans le milieu biologique 11.

[0061] Créée par une onde ultrasonore plane incidente perpendiculairement à l'interface 13, la force de radiation 15 par unité de surface à l'interface 13, notée π, peut s'écrire (selon Shutilov VA, Fundamental Physics of Ultrasound, p 133, CRC, 1988) :

où R est le coefficient de réflexion (en terme d'énergie) de l'interface 13, c₁₄ et c₁₁ sont les célérités ultrasonores dans les milieux 14 et 11, et I est l'énergie du faisceau ultrasonore incident.

[0062] En considérant un volume particulaire V de hauteur H dans le milieu 11, volume particulaire dont une des frontières coïncide avec l'interface 13 sur une section A, il est possible de comparer les contributions relatives des deux types de forces générées lorsqu'une onde plane d'intensité I se propage dans le volume particulaire V du milieu 14.

[0063] Le volume V est alors soumis à une force volumique F_vol due à l'absorption acoustique dans le milieu 11, et soumis à une force surfacique F_surf sur la section A due au contraste entre les deux milieux 14 et 11. La force surfacique F_surf s'écrit

la force de radiation volumique créée par absorption peut s'écrire en première approximation F_vol = fAH = 2α₁₁I/c₁₄AH(1 - R),

[0064] En réalité, ces ordres de grandeur de force sont appliqués à une demi zone focale centrée axialement sur l'interface 13 présentant une section A égale à l'épaisseur du faisceau acoustique focalisé et présentant une hauteur H égale à une demi profondeur de champ.

[0065] Le ratio des deux forces agissant sur la zone volumique focale peut alors s'écrire :

[0066] En considérant que les contrastes R et

sont faibles, alors le ratio des deux forces s'exprime

[0067] Les valeurs prises par ce ratio dépendent principalement du choix du matériau dans lequel est réalisée l'interface 13. Le terme 2R-γ_c est en effet fonction de ce choix de matériau d'interface. Quant au terme 2α₁₁H, en prenant la profondeur de champ d'un transducteur à nombre d'ouverture

et de fréquence centrale 5 MHz, et en considérant l'atténuation typique dans le sein (1dB/MHz/cm), on trouve 2α₁₁H≈0,12 On voit donc qu'il suffit de choisir le matériau d'interface de manière à ce que 2R-γ_c soit de l'ordre de 0,25, de manière à ce que la force surfacique soit d'amplitude deux fois plus grande que la force de volume.

[0068] Dans ce but, afin d'augmenter le contraste de célérité, on peut par exemple utiliser une membrane élastique. Une telle membrane pourra être, par exemple, réalisée à partir de latex, de polyuréthane, de silicone, etc. On constate que le latex est particulièrement bien adapté pour la fabrication d'une membrane utile dans la mise en œuvre de l'invention.

[0069] Le transducteur 12 est apte à réaliser une étape d'imagerie ultra rapide du milieu 11. Selon le transducteur, l'image peut être bidimensionnelle ou tridimensionnelle. Elle peut être également réduite à une dimension (une ligne de vue) si l'on utilise un élément simple de transducteur immobile. Cette étape d'imagerie ultra rapide ultrasonore est couplée avec l'étape d'application des ondes ultrasonores focalisées au niveau de la membrane 13. Les occurrences de ces étapes sont alors synchronisées en fonction de la vitesse de propagation des ondes mécaniques créées par application d'ondes ultrasonores.

[0070] En vue d'obtenir une image de bonne qualité, il y a donc lieu de veiller à limiter le coefficient de réflexion au niveau de l'interface 13, afin de ne pas nuire à l'imagerie ultrasonore à cause de la perte d'énergie transmise. Cela mène à choisir un milieu entouré par la membrane ayant une impédance proche de celle du milieu à imager, ce qui permet de minimiser la réflexion à l'interface. Des exemples de matériaux convenables sont donnés dans la suite.

[0071] Comme l'invention vise spécialement l'élastographie, il y a lieu de s'intéresser en particulier à la génération, par le procédé selon l'invention, d'ondes de cisaillement à l'interface 13.

[0072] Afin de préciser les caractéristiques du champ de déplacement correspondant aux ondes mécaniques résultant d'une excitation surfacique, il y a lieu de s'intéresser à la théorie de la propagation des ondes élastiques induite par une sollicitation à la surface d'un solide semi infini.

[0073] Un tel solide semi infini est un milieu 11 de propagation élastique isotrope. Quatre types d'ondes peuvent alors se propager : trois ondes de volume et une onde de surface. Les ondes de volume se composent d'une onde de tête, d'une onde de compression et d'une onde de cisaillement.

[0074] Concernant les ondes de cisaillement, le calcul de la fonction de Green (selon Gakenheimer et Miklowitz, Transient excitation of a half space by a point load traveling on the surface I, J.Appl.Mech., 1969) montre que les ondes de cisaillement générées dans le volume présentent des lobes de directivité. Cela provient du comportement dipolaire de la source ponctuelle de cisaillement.

[0075] La figure 2 illustre schématiquement la directivité des ondes de cisaillement générée par une zone source 26, sur laquelle sont focalisées des ondes ultrasonores, située sur une interface 23, placée à la surface d'un milieu 21.

[0076] La force de radiation ultrasonore 25 génère des ondes de cisaillement selon des lobes de directivité 27 et 27', dont les maximas sont situés à 35° de la normale à l'interface 23 et illustrant ces ondes mécaniques de cisaillement.

[0077] En effet, dans un milieu de grande taille, le lobe principal se situe à 35° par rapport à la normale à l'interface 23 quand on considère un milieu dont les caractéristiques mécaniques sont typiques des tissus biologiques.

[0078] On constate ainsi que, pour maximiser l'amplitude de l'onde de cisaillement dans une zone spatiale définie d'intérêt particulier, il est pertinent de placer la source ponctuelle de cisaillement à 35° par rapport à cette zone.

[0079] On sait par ailleurs que l'onde de compression se propage à très haute célérité et on observe par exemple que c_L≈300c_T où c_T est la vitesse de l'onde de cisaillement et c_L celle de l'onde de compression. Dans la mesure où l'impulsion mécanique se doit d'être courte afin de pouvoir être imagée, l'onde de compression aura donc tendance à s'échapper de la région imagée très rapidement.

[0080] Il suffit donc d'attendre quelques dizaines de microsecondes, par exemple 30 µs environ pour une zone située à une profondeur de 4 cm, pour que le champ de déplacement ne soit plus que la manifestation des autres ondes de célérités approximativement égales à la célérité des ondes de cisaillement.

[0081] L'onde de tête assure la continuité des contraintes et présente une amplitude nulle à l'interface. Elle se propage en surface sous la forme d'une onde de compression, en cédant une partie de son énergie en volume sous la forme d'une onde de cisaillement dans une direction déterminée. Cet angle spécifique est donné par la formule :

où c_T est la vitesse de l'onde de cisaillement et c_L, celle de l'onde de compression.

[0082] Or, les valeurs de vitesse des ondes de cisaillement et de compression sont respectivement de l'ordre de 5 m/s et 1 500 m/s. Par conséquent, l'angle spécifique est quasi nul et cette onde de tête ne pénètre pas dans le milieu. Elle ne sera donc pas observable dès lors que l'on imagera en profondeur, même faible, dans le milieu.

[0083] L'onde de surface, ou onde de Rayleigh R, est, en réalité, susceptible d'être détectée en volume car elle présente une composante évanescente normale, selon l'axe Z. Cette composante s'étend sur une profondeur d'environ une longueur d'onde, soit environ 1 cm dans les milieux biologiques.

[0084] La vitesse de propagation de cette onde de surface est donnée avec une bonne précision par la formule de Viktorov :

où c_R est la vitesse est la vitesse de l'onde de surface.

[0085] L'onde de surface a donc une vitesse presque identique à celle des ondes de cisaillement.

[0086] On voit, par conséquent, qu'il n'est pas réellement possible de séparer temporellement l'onde R et l'onde de cisaillement. En revanche, ici aussi, dès lors que l'on image en profondeur, même faible, cette onde ne vient pas se superposer aux ondes de cisaillement. De plus, même dans le cas d'une superposition à l'onde de cisaillement, sa présence n'altérera que très peu la mesure de la vitesse c_T puisque c_R≈c_T.

[0087] La figure 3 présente un premier mode de réalisation d'une membrane artificielle selon l'invention.

[0088] Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour être combiné avec un procédé de thérapie par ultrasons focalisés. En effet, un tel procédé de thérapie nécessite la présence d'un milieu couplant entre des transducteurs ultrasonores et un milieu biologique. Un tel milieu couplant est généralement une poche à eau constituée d'une membrane remplie d'eau et qui peut être avantageusement utilisée pour mettre en œuvre l'invention.

[0089] Or on sait qu'en présence d'une telle poche à eau, il est quasiment impossible de générer une onde de cisaillement par contact mécanique direct, précisément à cause du milieu couplant.

[0090] Cela est préjudiciable quand on veut imager le milieu biologique par élastographie pour en suivre l'évolution des propriétés élastiques liée à la progression du traitement. En outre, même si l'on parvenait à générer une force de radiation volumique au sein du milieu biologique, la pression de radiation volumique qu'il est possible de générer dans le milieu, serait largement diminuée du fait de la perte d'énergie ultrasonore à l'interface entre la poche à eau et le milieu.

[0091] Le mode de réalisation de l'invention présenté sur la figure 3 permet précisément de pallier cet inconvénient en permettant de générer des ondes mécaniques de cisaillement dans un milieu biologique 31, et ce malgré la présence de la poche à eau.

[0092] Le montage présenté sur la figure 3 utilise une sonde d'imagerie 38 portant des transducteurs ultrasonores 32. Cette sonde d'imagerie 38 est appliquée sur une poche à eau, définissant un milieu couplant 34 entouré par une membrane 34'. La poche à eau est placée à la surface d'un milieu biologique 31, par exemple un sein, définissant ainsi une interface 33.

[0093] Le procédé selon l'invention utilise l'effet d'interface au niveau de la membrane 34' pour créer des ondes mécaniques, plus précisément des ondes de cisaillement dans le milieu 31.

[0094] En imageant ensuite ces ondes de cisaillement, il est possible de réaliser une cartographie de l'élasticité du milieu 31 observé à un moment quelconque.

[0095] Quand le procédé selon l'invention est utilisé durant un traitement par ultrasons focalisés, il devient ainsi possible de suivre aisément la variation de l'élasticité de la zone traitée en utilisant une seule et même sonde d'imagerie 38. Une telle sonde d'imagerie 38 est alors programmée non seulement pour réaliser le traitement mais aussi pour, ponctuellement, déclencher une mesure d'élasticité en réalisant une étape de génération d'ondes mécaniques et, successivement, de manière synchronisée, une étape d'imagerie du milieu 31.

[0096] En outre, l'invention permet d'ajuster les paramètres de l'interface en fonction de l'observation que l'on souhaite faire du milieu 31.

[0097] En effet, contrairement à la force de radiation volumique qui dépend principalement des paramètres acoustiques du milieu 31 et de l'intensité du faisceau ultrasonore, la force de radiation 35 générée sur l'interface 33 entre les deux milieux 34 et 31 dépend d'autres paramètres qui sont susceptibles d'être ajustés par l'expérimentateur. La force de radiation interfaciale dépend, en effet, du ratio des impédances acoustiques, du ratio des vitesses du son dans les deux milieux ou, encore, de l'épaisseur de la membrane.

[0098] En particulier, il est possible d'utiliser un matériau de membrane bien choisi pour ajuster ces paramètres afin d'amplifier la pression de radiation à l'interface 33.

[0099] Il est également judicieux que les impédances acoustiques des deux milieux 31 et 34 soient voisines, mais que les deux milieux 31 et 34 présentent des vitesses du son très différentes. Cela permet d'obtenir une pression de radiation plus importante tout en évitant les réflexions à l'interface 33 qui sont nuisibles à l'imagerie ultrasonore.

[0100] Dans un tel but, on utilisera avantageusement une membrane élastique remplie soit de silicone, soit de chloroforme, soit encore de mono chlorobenzène, soit de nitrométhane ou encore de potassium.

[0101] Ces derniers matériaux présentent, en effet, des impédances acoustiques proches de celles des milieux biologiques, mais des vitesses du son très différentes.

[0102] La figure 4 illustre un second mode de réalisation d'une membrane artificielle selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, la membrane 44' réalisant l'interface 43, est telle qu'il est possible de confiner et d'amplifier l'amplitude et la directivité des ondes mécaniques dans une zone d'intérêt 66 située dans un milieu 41.

[0103] En effet, lorsque plusieurs sources de cisaillement vibrant en surface sont disposées de manière adéquate, on définit une région où l'amplitude de l'onde mécanique, plus particulièrement de sa composante axiale, est augmentée.

[0104] Dans l'exemple de la figure 4, est utilisée une membrane à épaisseur et à composition non constantes. Une spatialisation des sources en surface peut, en effet, être réalisée à l'aide d'une membrane dont l'épaisseur et/ou la composition est non homogène au niveau de l'interface 43 avec le milieu 41.

[0105] Les figures 4a et 4b décrivent ainsi un mode de réalisation particulier pour une membrane 44' entourant un milieu couplant 44, apte à focaliser les ondes mécaniques sur une zone d'intérêt 66.

[0106] La figure 4a est une coupe A-A et la figure 4b est une vue de dessus partielle telle que vue selon la coupe B-B.

[0107] La zone d'intérêt 66 est située à une profondeur Z et les caractéristiques de la membrane 44' sont déterminées en fonction de cette profondeur Z en termes d'épaisseur ou de composition. Dans l'exemple de la figure 4, l'épaisseur de la membrane 44' est accrue sur une zone en couronne 49 représentée sur la figure 4b, de manière à ce que la zone d'intérêt 66 et la couronne 49 forment un cône d'environ 35°.

[0108] Quand une onde acoustique est émise vers la membrane 44', des déplacements axiaux se produisent de manière plus importante, par force de radiation acoustique 45, au niveau de la couronne 49 puisque l'épaisseur membranaire ou la composition membranaire ont localement été optimisées à cette fin.

[0109] Par symétrie autour de l'axe AX de révolution de la couronne 49, les déplacements axiaux s'additionnent et, par propagation, sont d'une amplitude maximale dans la zone d'intérêt 66, placée dans chacun des lobes principaux d'émission des sources membranaires.

[0110] On constate qu'il existe donc différentes possibilités de constitutions de la membrane visant à atteindre des zones d'intérêt 66 de profondeurs Z distinctes.

[0111] On remarque aussi que les hétérogénéités de la membrane 44' peuvent être réalisées suivant des géométries variables, non seulement en couronne, mais également en rectangle, etc. Au lieu d'une surface en relief continue, des picots peuvent aussi être disposés en couronne.

[0112] Enfin, la figure 5 présente un mode de réalisation particulier de l'invention où une interface biologique 53 présente au sein d'un milieu biologique 51 est utilisée selon le procédé de l'invention. Selon l'invention, des transducteurs 52 sont utilisés pour appliquer des ondes ultrasonores focalisées au niveau de l'interface 53, c'est-à-dire à la profondeur de l'interface et en direction de celle-ci.

[0113] Par effet d'interface, les ondes ultrasonores génèrent une force de radiation surfacique 55 qui induit des ondes mécaniques de cisaillement au sein d'un milieu biologique 54 inclus dans le milieu biologique 51. Les transducteurs 52 sont ensuite utilisés pour imager la propagation de ces ondes de cisaillement et déduire de cette observation des propriétés mécaniques du milieu 54.

[0114] On peut noter que, lorsque le procédé selon l'invention est utilisé, comme représenté sur la figure 5, pour caractériser un milieu biologique 54 présent dans le milieu biologique 51, on peut en déduire aussi des propriétés mécaniques du milieu 51. En effet, non seulement la seconde interface 53' présente dans la direction Oz génère aussi des ondes de cisaillement au sein du milieu 51 mais également la taille du milieu biologique 54 est généralement telle que les ondes de cisaillement générées à l'interface 53 se propage aussi dans le milieu 51. En imageant l'ensemble du milieu, on peut alors déduire des propriétés sur chacun des milieux 51 et 54 et sur leur interface 53, 53'.

[0115] On remarque enfin que diverses mises en œuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention tels que définis dans les revendications suivantes.

Revendications

1. Procédé d'imagerie d'un milieu viscoélastique [11] comprenant une étape de génération d'une force de radiation acoustique [15] au sein du milieu viscoélastique [11] qui génère la propagation des ondes mécaniques dans le milieu, et une étape d'imagerie ultra-rapide du milieu [21] couplée avec l'étape de génération, l'étape de génération étant réalisée par application d'ondes acoustiques ultrasonores focalisées sur une interface [13,33,53] délimitant deux zones [11,14] possédant des propriétés acoustiques distinctes,
caractérisé en ce que l'étape de génération d'une force de radiation acoustique crée des ondes mécaniques de compression et de cisaillement,
l'étape d'imagerie du milieu [21] est une étape d'imagerie ultrasonore, et
les occurrences de ces étapes de génération de la force de radiation acoustique [15] et d'imagerie du milieu [21] étant synchronisées en fonction des vitesses de propagation des ondes mécaniques générées dans le milieu [21] tel que l'on image la propagation des ondes mécaniques [27] générées dans le milieu [21].

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface [53] sur laquelle sont focalisées les ondes acoustiques est présente au sein du milieu viscoélastique [11].

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'interface [33] sur laquelle sont focalisées les ondes acoustiques est une membrane artificielle [34'] placée au contact de la surface du milieu viscoélastique [31] et entourant un milieu dit de couplage [34] placé entre un dispositif [38,32] destiné à appliquer les ondes acoustiques et la surface du milieu viscoélastique [31], le milieu de couplage [34] et le milieu viscoélastique [31] définissant les deux zones de propriétés acoustiques distinctes.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane artificielle [34'] présente une composition choisie pour minimiser le contraste d'impédance acoustique tout en augmentant l'amplitude des ondes mécaniques.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane artificielle [34'] présente une épaisseur choisie pour minimiser le contraste d'impédance acoustique tout en augmentant l'amplitude des ondes mécaniques.

6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la membrane artificielle [34'] présente une composition non uniforme et déterminée spatialement de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques [27] dans une région d'intérêt du milieu viscoélastique [31].

7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la membrane artificielle [34'] présente une épaisseur [49] non uniforme et déterminée spatialement de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques [27] dans une région d'intérêt [66] du milieu viscoélastique [31].

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'application d'ondes acoustiques focalisées sur l'interface [13,33,53] est réalisée successivement en une pluralité de points de l'interface [13,33,53], cette pluralité de points et la succession des focalisations étant déterminées de manière à augmenter l'amplitude des ondes mécaniques [27] dans une région d'intérêt du milieu viscoélastique [31].

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé de traitement ultrasonore est apte à être contrôlé en fonction des résultats de l'étape d'imagerie du milieu.

10. Système comprenant une sonde d'imagerie (38) portant des transducteurs (32) pour générer des ondes mécaniques au sein d'un milieu viscoélastique [31] et qui est programmée pour appliquer le procédé selon l'une des revendications 3 à 7 dans lequel les occurrences des étapes de génération d'une force de radiation acoustique [15] et d'imagerie ultrasonore ultra-rapide du milieu [31] sont synchronisées en fonction des vitesses de propagation des ondes mécaniques générées dans le milieu [31] et comprenant une membrane artificielle [34'] destinée à être partiellement placée au contact de la surface du milieu viscoélastique [31] et destinée à entourer un milieu dit de couplage [34] placée entre la sonde [38] de génération d'ondes acoustiques et le milieu viscoélastique [31] pour servir d'interface [33].

Ansprüche

1. Bildgebendes Verfahren für ein viskoelastisches Medium [11], umfassend einen Schritt des Erzeugens einer Schallstrahlungskraft [15] in dem viskoelastischen Medium [11], die die Ausbreitung mechanischer Wellen in dem Medium erzeugt, und einen Schritt der ultraschnellen Bildgebung des Mediums [21], der mit dem Schritt des Erzeugens verbunden ist, wobei der Schritt des Erzeugens durch Anwenden von Ultraschallwellen, die auf eine Schnittstelle [13, 33, 53], die zwei Bereiche [11, 14] begrenzt, die verschiedene akustische Eigenschaften aufweisen, fokussiert werden, ausgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erzeugens einer Schallstrahlungskraft mechanische Kompressions- und Scherwellen erzeugt,
der Schritt der Bildgebung des Mediums [21] ein Schritt der Ultraschallbildgebung ist und
wobei das Eintreten des Schrittes des Erzeugens der Schallstrahlungskraft [15] und das Eintreten des Schrittes der Bildgebung des Mediums [21] in Abhängigkeit von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der mechanischen Wellen, die in dem Medium [21] erzeugt werden, je nach dem Abbilden der Ausbreitung der mechanischen Wellen [27], die in dem Medium [21] erzeugt werden, synchronisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schnittstelle [53], auf die die Schallwellen fokussiert werden, innerhalb des viskoelastischen Mediums [11] vorhanden ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle [33], auf die die Schallwellen fokussiert werden, eine künstliche Membran [34'] ist, die in Kontakt mit der Oberfläche des viskoelastischen Mediums [31] angeordnet wird, und ein Koppelmedium [34] umgibt, das zwischen der Vorrichtung [38, 32], die dazu bestimmt ist, die Schallwellen anzuwenden, und dem viskoelastischen Medium [31] angeordnet wird, wobei das Koppelmedium [34] und das viskoelastische Medium [31] die zwei Bereiche mit verschiedenen akustischen Eigenschaften definiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Membran [34'] eine Zusammensetzung aufweist, die ausgewählt wird, um den akustischen Impedanzkontrast zu minimieren und dabei gleichzeitig die Amplitude der mechanischen Wellen zu erhöhen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Membran [34'] eine Dicke aufweist, die ausgewählt wird, um den akustischen Impedanzkontrast zu minimieren und dabei gleichzeitig die Amplitude der mechanischen Wellen zu erhöhen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Membran [34'] eine ungleichmäßige Zusammensetzung aufweist und räumlich derart bestimmt wird, um die Amplitude der mechanischen Wellen [27] in einem Bereich von Interesse des viskoelastischen Mediums [31] zu erhöhen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Membran [34'] eine ungleichmäßige Dicke [49] aufweist und räumlich derart bestimmt wird, um die Amplitude der mechanischen Wellen [27] in einem Bereich von Interesse [66] des viskoelastischen Mediums [31] zu erhöhen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwenden von Ultraschallwellen, die auf die Schnittstelle [13, 33, 53] fokussiert werden, nacheinander an mehreren Punkten der Schnittstelle [13,33,53] durchgeführt wird, wobei die mehreren Punkte und die Abfolge der Fokussierungen derart bestimmt werden, um die Amplitude der mechanischen Wellen [27] in einem Bereich von Interesse des viskoelastischen Mediums [31] zu erhöhen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der Ultraschallbehandlung geeignet ist, um in Abhängigkeit von den Ergebnissen des Schrittes der Bildgebung des Mediums gesteuert zu werden.

10. System, umfassend eine Bildgebungssonde (38), die Wandler (32) trägt, um mechanische Wellen in dem viskoelastischen Medium [31] zu erzeugen, und die programmiert ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 anzuwenden, wobei das Eintreten des Schrittes des Erzeugens von einer Schallstrahlungskraft [15] und das Eintreten des Schrittes der ultraschnellen Ultraschallbildgebung des Mediums [31] in Abhängigkeit von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der mechanischen Wellen, die in dem Medium [31] erzeugt werden, synchronisiert werden, und eine künstliche Membran [34'] aufweist, die dazu bestimmt ist, teilweise in Kontakt mit der Oberfläche des viskoelastischen Mediums [31] angeordnet zu werden und dazu bestimmt ist, ein Koppelmedium [34] zu umgeben, das zwischen der Sonde [38] zum Erzeugen der Schallwellen und dem viskoelastischen Medium [31] angeordnet ist, um als Schnittstelle [33] zu dienen.

Claims

1. A method for imaging a viscoelastic medium (11) comprising a step for generating an acoustic radiation force (15) within the viscoelastic medium (11) which generates the propagation of the mechanical waves in the medium, and an ultra-rapid imaging step of the medium (21) coupled with the generation step, the step for generating being carried out by application of ultrasound acoustic waves focussed on an interface (13, 33, 53) delimiting two zones (11, 14) having distinct acoustic properties,
characterized in that the step for generating an acoustic radiation force creates mechanical shearing and compression waves,
the imaging step of the medium (21) is an ultrasound imaging step, and
the occurrences of these step for generating the acoustic radiation force (15) and imaging step of the medium (21) being synchronised as a function of the propagation speeds of the mechanical waves generated in the medium (21) such that the propagation of the mechanical waves (27) generated in the medium (21) is imaged.

2. The method according to Claim 1, characterized in that the interface (53) the acoustic waves on which are focussed is present within the viscoelastic medium (11).

3. The method according to any of Claims 1 or 2, characterized in that the interface (33) on which the acoustic waves are focussed is an artificial membrane (34') placed in contact with the surface of the viscoelastic medium (31) and enclosing a medium known as coupling medium (34) placed between a device (38, 32) for applying the acoustic waves and the surface of the viscoelastic medium (31), the coupling medium (34) and the viscoelastic medium (31) defining the two zones of distinct acoustic properties.

4. The method according to Claim 3, characterized in that the artificial membrane (34') has a composition selected to minimise the acoustic impedance contrast while increasing the amplitude of the mechanical waves.

5. The method according to Claim 3, characterized in that the artificial membrane (34') has thickness selected to minimise the acoustic impedance contrast while increasing the amplitude of the mechanical waves.

6. The method according to any of Claims 3 to 5, characterized in that the artificial membrane (34') has a non-uniform composition determined spatially so as to increase the amplitude of the mechanical waves (27) in a region of interest of the viscoelastic medium (31).

7. The method according to any of Claims 3 to 5, characterized in that the artificial membrane (34') has a non-uniform thickness (49) determined spatially so as to increase the amplitude of the mechanical waves (27) in a region of interest (66) of the viscoelastic medium (31).

8. The method according to any of the preceding Claims, characterized in that the application of acoustic waves focussed on the interface (13, 33, 53) is completed successively at a plurality of points of the interface (13, 33, 53), this plurality of points and the succession of the focussings being determined so as to increase the amplitude of the mechanical waves (27) in a region of interest of the viscoelastic medium (31).

9. The method according to any of the preceding Claims, characterized in that the ultrasound treatment method is suitable for being controlled as a function of the results of the imaging step of the medium.

10. A system comprising an imaging probe (38) bearing transducers (32) for generating mechanical waves within a viscoelastic medium (31) which is programmed to apply the method according to any of claims 3 to 7 wherein the occurrences of the step for generating an acoustic radiation force (15) and ultra-rapid ultrasound imaging step of the medium (21) are synchronised as a function of the propagation speeds of the mechanical waves generated in the medium (31) and comprising an artificial membrane (34') intended to be placed partially in contact with the surface of a viscoelastic medium (31) and intended to enclose a medium known as coupling medium (34) placed between the probe (38) for generation of acoustic waves and the viscoelastic medium (31) to serve as interface (33).

Dessins