Laboratoire CREATIS, équipe ULTIM, Lyon Entreprise TPAC, Nantes
Résumé : Ce projet de thèse CIFRE se positionne au carrefour entre l’activité de l’équipe Imagerie Ultrasonore (ULTIM) du laboratoire CREATIS qui développe des méthodes de traitement du signal et de l’image pour l’échographie médicale et celle de l’entreprise TPAC qui développe des électroniques de pilotage pour l’imagerie ultrasonore. Plus précisément, TPAC et CREATIS ont pour objectif commun de mettre au point un prototype d’échographe de recherche permettant de contrôler jusqu’à 1024 canaux pour l’imagerie en trois dimensions (3D), qui est un axe majeur de recherche et développement en échographie. Sur ce prototype dédié à la recherche méthodologique et médicale, la thèse CIFRE se focalisera sur le développement d’applications vasculaires : méthode d‘imagerie de flux et caractérisation de l’onde de pouls pour une évaluation de la paroi artérielle. Différentes applications en lien avec l’activité des cliniciens de l’équipe sont envisagées : lien entre l’hypertension et le système vasculaire, influence des traitement anticancéreux sur le système vasculaire, etc…
Mots-clefs : Imagerie médicale ultrasonore, suivi de mouvement, flux, onde de pouls, 3D, maladies vasculaires, artères, hypertension, cadio-oncologie.
Contexte
En routine clinique c’est encore principalement l’imagerie 2D qui est utilisée que ce soit pour l’imagerie de flux par des méthodes Doppler ou pour la caractérisation pariétale des vaisseaux. Or, les phénomènes physiologiques se produisent en 3D et l’ensemble des mouvements présents peuvent être complexes et présenter une composante hors plan. L’imagerie 3D ultra-rapide est nécessaire pour répondre à l’enjeu d’une caractérisation complète des vaisseaux sanguins. Mais les technologies actuelles des échographes étant limitées au pilotage de 256 canaux, l’imagerie 3D avec des sondes pleinement peuplées est impossible. Il faut alors soit utiliser des technologies de sondes sous optimales (RCA, sondes sparse) ou piloter les sondes en mode « simplifié » (multiplexage ou autre).
Objectifs de la thèse :
L’objectif de la thèse est de développer des méthodes d’imagerie ultrasonore 3D pour la caractérisation du système vasculaire. Ces méthodes seront ensuite implémentées et validées sur un prototype unique controlant 1024 éléments de manière simultanée. Elles seront enfin évaluées dans un contexte clinique.
Verrous scientifiques :
Les principaux verrous scientifiques, en lien direct avec les objectifs de la thèse, sont :
- Le développement, l’implémentation et la validation de méthodes d’imagerie et devisualisation du flux en échographie 3D, sur des milieux tests.
- Le développement, l’implémentation et la validation de méthodes d’imagerie et devisualisation de l’onde de pouls en échographie 3D, sur des milieux tests.
- Les mesures d’indices thermiques et mécaniques permettant de valider la sureté des modesd’imagerie développés.
- La mise en œuvre sur sujets sains et patients des modes d’imagerie développés. Cette partie sera réalisée en lien avec les cardiologues de l’équipe et un doctorant médecin.
Contributions originales attendues :
Grâce à la collaboration entre TPAC et CREATIS, le doctorant disposera du premier et unique système compact permettant de contrôler 1024 voies en parallèle. Grâce à cet accès unique il est attendu de développer :
- Un mode d’imagerie Doppler 3D sur un système 1024 voies compact et transportable àl’hôpital validé et certifié en termes de sureté.
- Un mode d’imagerie de l’onde de pouls sur un système 1024 voies compact et transportable àl’hôpital validé et certifié en termes de sureté.
- Une première mise en œuvre de ces modes d’imagerie sur un modèle de pathologie vasculaire.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée :
Dans un premier temps, le doctorant devra s’approprier les méthodes d’imagerie Doppler et de l’onde de pouls de la littérature à la fois en 2D et en 3D et proposer d’éventuelles évolutions de ces méthodes. Cette phase comporte également une phase d’étude en simulation qui permettra de bien maîtriser toutes les étapes permettant l’acquisition des signaux, leur traitement et la visualisation.
En parallèle le doctorant devra se familiariser avec le système d’imagerie 1024 mis à disposition par TPAC sur la plateforme PiLoT à Creatis. Des modes d’imagerie focalisée et des modes d’imagerie rapide (plane wave, diverging wave) sont déjà disponibles sur le système et permettent de générer des signaux d’une manière similaire à ce qui devra être réalisé pour la caractérisation du système vasculaire. Ces modes devront être adaptés à l’imagerie vasculaire dans le cadre de la thèse. L’ensemble des briques de programme développées seront intégrées dans la bibliothèque Ultraspy déjà développée dans le cadre de la collaboration Creatis/TPAC.
Un mode d’imagerie Doppler et un mode d’imagerie de l’onde de pouls en 3D devront être développés, implémentés et validés sur un milieu test synthétique. Pour cela la plateforme PiLoT du laboratoire Creatis dispose de fantômes et de pompes permettant de se rapprocher de conditions physiologiques tout en restant des environnements plus simples et maîtrisés.
Des mesures acoustiques et thermiques devront être réalisées pour s’assurer que les valeurs fixées par les normes ne sont pas dépassées. Cela permettra le passage devant les comités d’éthique et de validation qui sont nécessaires pour passer à la phase finale du projet qui est la mise en œuvre in vivo.
Pour finir, les modes d’imagerie seront utilisés pour imager des populations permettant de démontrer leur intérêt pour la caractérisation des vaisseaux. A ce stade les populations ne sont pas définies, elles le seront en début de thèse en lien avec les cardiologues de l’équipe et un doctorant médecin qui effectue sa thèse en parallèle (2025-2028). Une piste possible sera de différencier des cas pathologiques et des cas non pathologiques grâce à l’évaluation de la dureté des artères en imagerie de l’onde de pouls.
Objectifs de valorisation des travaux de recherche :
- Publications dans des conférences et des revues internationales avec comité de lecture.
- En fonction de l’innovation on peut envisager un brevet, mais cette question devra être envisagée en lien avec la stratégie économique et commerciale de l’entreprise.
- Une bibliothèque de fonctions disponibles pour les utilisateurs du système sera développée.
Compétences qui seront développées au cours du doctorat :
– Développement méthodologique en signal/image dans le domaine des ultrasons.
– Développement de savoir-faire en acquisition des données en laboratoire.
– Rédaction de protocole éthique (aspect normatifs et suretés en ultrasons) en lien avec un étude in vivo sur l’homme
– Présentation des résultats scientifiques.
– Autonomie dans le domaine de recherche.
Déroulement de la thèse et profil du candidat recherché
Cette thèse sera réalisée au laboratoire CREATIS dans l’équipe Imagerie Ultrasonore (Villeurbanne) et sera encadrée par Hervé Liebgott et Barbara Nicolas. L’encadrant industriel sera Ewen Carcreff (TPAC). Des déplacements réguliers à Nantes seront à prévoir.Le candidat aura idéalement une formation d’ingénieur, ou équivalent, avec une spécialisation en imagerie biomédicale et/ou traitement du signal et/ou ultrasons.
Le candidat devra être autonome et avoir des connaissances en programmation et en traitement du signal/des images. Des expériences ou compétences dans le domaine de l’acoustique médicale ou plus généralement sur des applications médicales seront appréciées.
Candidature
Envoyer votre CV, lettre de motivation et relevés de notes (M1 et M2) à barbara.nicolas@creatis.insa-lyon.fr,herve.liebgott@creatis.insa-lyon.fr et ewen.carcreff@tpac-ndt.com
Annexe : Références bibliographiques sur le sujet de thèse
Vincent Perrot, Ingvild Kinn Ekroll, Jørgen Avdal, Lars Mølgaard Saxhaug, Håvard Dalen, Didier Vray, Lasse Løvstakken, Herve Liebgott Translation of simultaneous vessel wall motion and vectorial blood flow imaging in healthy and diseased carotids to the clinic: A pilot study, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 68(3), 558-569, DOI: 10.1109/TUFFC.2020.3015340
Lorena Petrusca, François Varray, Rémi Souchon, Adeline Bernard, Jean-Yves Chapelon, Hervé Liebgott, William Apoutou N’Djin, Magalie Viallon, Fast volumetric ultrasound B-mode and Doppler imaging with a new high-channels density platform for advanced 4D cardiac imaging/therapy, Applied Sciences, 8(2), 200, https://doi.org/10.3390/app8020200
Pierre Ecarlat, Ewen Carcreff, François Varray, Hervé Liebgott, Barbara Nicolas, Get Ready to Spy on Ultrasound: Meet ultraspy, In 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) (pp. 1-4), https://ieeexplore.ieee.org/document/10307778
