Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Imagerie par micro-ondes“

Dans cette thèse, nous étudions, d'un point de vue théorique et numérique, l'imagerie micro-ondes. Mathématiquement, il s'agit de résoudre un problème inverse : reconstruire les coefficients diélectriques (permittivité et conductivité) à l'intérieur d'un matériau ou d'un tissu à l'aide de mesures surfaciques du champ électrique. Ce problème est modélisé par les équations de Maxwell pour le champ électrique en régime harmonique dont nous démontrons l'existence et l'unicité d'une solution dans le cas de conditions de bord mixtes. Nous nous intéressons particulièrement à la reconstruction de perturbations dans l'indice de réfraction du milieu. L'indice du milieu sain est supposé connu et, à l'aide de mesures effectuées sur l'objet d'étude, nous définissons le champ perturbé et cherchons à retrouver les perturbations. Afin de comprendre l'influence de celles-ci sur le champ électrique, nous menons une analyse de sensibilité des équations de Maxwell. L'étude numérique de cette analyse de sensibilité a conduit à des résultats utilisés pour développer un algorithme de reconstruction du support des perturbations. Nous étudions par la suite le problème de Cauchy, notamment pour démontrer un résultat d'identifiabilité avec données partielles. Nous nous intéressons également à la résolution numérique de ce problème pour répondre à la question de la complétion de données surfaciques : à partir de mesures partielles, nous en déduisons des données totales. Le problème inverse est finalement étudié sous la forme d'un problème de minimisation d'une fonctionnelle permettant de reconstruire l'amplitude des inhomogénéités recherchées
In this thesis, we study, from a theoretical and numerical point of view, the microwave imaging. Mathematically, it is about solving an inverse problem: reconstruct the dielectric coefficients (permittivity and conductivity) inside a material or tissue from boundary measurements of the electric field. This problem is modeled by time-harmonic Maxwell's equations for the electric field for which we prove the existence and uniqueness of a solution in the case of mix boundary conditions. We are particularly interested in the reconstruction of perturbations in the refractive index of the medium. The index of the healthy medium is assumed to be known and, with the help of boundary measurements on the studied object, we define the perturbed field and try to find the perturbations. In order to understand their influence on the electric field, we lead a sensitivity analysis of Maxwell's equations. The numerical study of this sensitivity analysis led to results used to develop a reconstruction algorithm of the perturbations supports. We then study the Cauchy problem, to solve a uniqueness result with partial data. We are also interested in the numerical resolution of this problem to answer the question of the boundary data completion: from partial measurements, we deduce the total data. The inverse problem is finally studied as the minimization of a functional to reconstruct the amplitude of the searched inhomogeneities

L'élastographie ondulatoire est une méthode d'imagerie visant à mesurer l'élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d'élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s'attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de micro-élastographie, à tester de nouvelles sources d'ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d'ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d'ondes élastiques guidées et d'ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d'établir l'existence d'une fréquence de coupure expliquant l'absence d'imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides visco-élastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d'ondes dans ce type de milieux. Puis, l'objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d'ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d'environ 15 µm. Il s'agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l'élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d'environ 800 µm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d'ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en micro-élastographie optique) ont été menées pour valider l'utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d'ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d'environ 50 µm de diamètre à partir d'acquisitions d'holographie Doppler laser réalisées in vivo. L'application d'algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d'ondes guidées révélant l'existence d'une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l'onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu'à présent, a également été observée sur l'artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cells whose diameter is about 15 µm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800 µm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical micro-elastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 µm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions

La capacité de pénétration des ondes électromagnétiques (OEM), généralement non destructive, dans les matériaux ou tissus permet de sonder les milieux étudiés. En termes de santé publique, améliorer la qualité de vie est devenu un objectif majeur de la société actuelle. Des applications de sondage par OEM de divers milieux ou tissus dans le domaine biologique présentent un intérêt majeur dans les opérations de diagnostic et dans les opérations thérapeutiques. Les travaux de cette thèse abordent le vaste domaine des applications biomédicales, des interactions micro-ondes/radiofréquences et de la matière. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’univers émergeant de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) à Ultra-Haut Champ. Le premier objectif est de développer un fantôme anthropomorphique de tête humaine ou il faut prendre en compte les propriétés électromagnétiques et les temps de relaxation caractéristiques de chaque tissu. Cela permet d’obtenir une estimation précise des niveaux de DAS pour l’être humain et une notion des formations de hotspots lors d’un examen IRM haut-champ.Le deuxième objectif dans le domaine des IRM à très haut champ est l’étude et la fabrication des dispositifs d’homogénéisation de champ permettant ainsi d’éclaircir les zones d’ombres. Ce processus, dénommé Dielectric Shimming, est basé entre autre sur l’utilisation d’éléments discrets à hautes permittivités appelés pads. Ces pads sont composés de matériaux diélectriques à fortes permittivités, comme des solutions aqueuses de Titanate de Baryum, afin de focaliser le champ dans les zones initialement sombres de l’image de l’IRM (dans cas du cerveau : le cervelet et les lobes temporaux)
The penetration capacity of the electromagnetic (EM) waves in matter or biological tissues allows exploring media non-destructively. Concerning the public health sector, improving the quality of life has become one of the greatest concerns of nowadays society. EM wave research on different media and biological tissues shows a great potential for diagnostic applications and eventually for therapeutically applications. In this doctoral thesis, we focus on the vast domain of the biomedical applications of wave-matter interactions, based on the knowledge of the electromagnetic properties of matter, the complex permittivity and the conductivity. On a first instance, we address the emerging domain of ultra-high field MRI (Magnetic Resonance Imaging), which nowadays puts effort into the clinical implementation of 7T devices. Firstly our purpose is to produce an anthropomorphic head model, composed of the brain’s different layers, and taking into account the electromagnetic properties and the proton relaxation times inherent to each tissue. These realistic head models allow to evaluate the newly developed protocols for these ultra-high field devices. Secondly, we have studied and developed field homogenization devices, which allow brightening the shadow areas displayed in some MRI images, such as the cerebellum and the temporal lobes in brain imaging at 7T. This procedure, named Passive Shimming, is based on the use of high permittivity dielectric pads composed of Barium Titanate, which focalize the field to the areas where normally the wavelength in insufficient to generate a homogeneous signal distribution

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation
This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation

Les déchirures de la coiffe des rotateurs (RCTs) représentent l'une des blessures les plus fréquentes de l'épaule et évoluent souvent vers des conditions plus graves au fil du temps. Bien que l'IRM soit la modalité d'imagerie standard pour détecter les RCTs, son utilisation est limitée aux centres d'imagerie et elle n'est pas toujours précise pour représenter la présence et l'étendue des déchirures. Un outil de diagnostic portable, non invasif et rentable pour le diagnostic sur site des RCTs est en demande. Cette thèse présente les contributions apportées au développement d'un modèle numérique pour ce scanner médical, qui repose sur la résolution répétée du problème Maxwell. La discrétisation par éléments finis de ce problème aboutit à un système linéaire de grande taille et mal conditionné, difficile à résoudre. Notre première contribution est le développement d'un préconditionneur de type Schwarz basé sur le PML qui améliore l'efficacité de la résolution de ce problème, en termes de taux de convergence et de temps de calcul. Ensuite, nous utilisons une modélisation numérique de pointe pour introduire un système d'imagerie portable pour la reconstruction tridimensionnelle de l'épaule. Cette tâche est difficile en raison de la grande taille électrique de l'épaule, de son anatomie complexe et de la nature hétérogène des tissus, caractérisée par des pertes élevées. L'étude de faisabilité montre des résultats prometteurs dans la détection des RCTs. Cependant, cette méthode peut être limitée par de forts niveaux de bruit ou les habitudes corporelles du patient. Pour remédier à cela, nous générons un grand ensemble de données, en utilisant une version optimisée du système d'imagerie et nous employons un algorithme d'apprentissage automatique pour la détection automatique et en temps réel des RCTs
Rotator cuff tears (RCTs) represent one of the most frequent shoulder injuries and often progress to more severe conditions over time. Although MRI is the standard imaging modality for detecting RCTs, it is limited to use in imaging centers, and it is not always accurate in depicting the presence and extent of the tears. A portable, non-invasive, and cost-effective diagnostic tool for on-site diagnosis of RCTs is in demand. This thesis presents the contributions made to the development of a numerical model for this medical scanner which relies on repeated solves of Maxwell's equations. The finite element discretization of this problem results in a large-scale, ill-conditioned linear system that is challenging to solve. Our first contribution is the development of a PML-based Schwarz-type preconditioner that improves the efficiency of the solution method, in terms of convergence rate and computing time. Next, we utilize state-of-the-art numerical modeling to design a wearable imaging system for three-dimensional image reconstruction of the shoulder. This task is challenging due to the electrically large size of the shoulder, its complex anatomy, and the heterogeneous nature of the tissues, which are characterized by high losses. The feasibility study shows promising results in the detection of RCTs. However, this method can be limited by high noise levels or the patient's body habits. To address this, we generate a large dataset, using an optimized version of the numerical imaging system and employ a machine learning algorithm, for automatic and real-time detection of RCTs

Le microscope de photodétachement, construit au laboratoire Aimé Cotton au milieu des années 90, permet de visualiser les images d'interférences obtenues à partir d'électrons détachés d'ions négatifs par excitation laser, en présence d'un champ électrique uniforme. Après détachement, dans une première approximation, l'électron et l'espèce neutre précédemment liés n'interagissent plus : on a une source d'électrons libres. Or, selon les l'équations de la mécanique classique, un électron libre d'énergie cinétique donnée placé dans un champ électrique uniforme a deux trajectoires paraboliques différentes pour arriver en un même point. Quantiquement parlant, l'onde de matière électronique se divise et suit les deux chemins possibles. Du fait de la cohérence de l'onde électronique émise par photodétachement, les deux demi-ondes interfèrent. Les images d'interférences enregistrées sont très sensibles à l'énergie cinétique des électrons qui les composent. On peut ainsi mesurer cette énergie par comparaison entre les images expérimentales et celles prédites par le modèle théorique de l'électron libre. On peut ainsi faire de la spectroscopie de très haute résolution. L'étude quantitative des images a été utilisée pour tester la validité du modèle de l'électron libre pour le détachement de Si ̄et OH,̄ en recherchant d'éventuels effets d'interaction entre l'électron détaché et l'espèce neutre. L'anion Si ̄a permis de valider le modèle pour un atome plus lourd que ceux précédemment utilisés. L'anion moléculaire OH ̄a été choisi notamment pour examiner l'effet d'un potentiel dipolaire sur les interférences. Les résultats obtenus n'ont pas mis en évidence de modification des images, et ont donc validé cette méthode pour la mesure des énergies de détachement d'ions diatomiques. Ces travaux ont permis de proposer de nouvelles mesures des affinités électroniques de Si et de OH, avec une meilleure précision
The photodetachment microscope was built in the middle of the nineties at Laboratory Aimé Cotton. It enables one to record interference patterns due to electrons detached from negative ions by a laser into a uniform electric field. In a first approximation, the previously linked electron and neutral species don't interact any more after detachment : we have a free electron source. According to the classical equations of movement, a free electron placed in a uniform electric field with a given kinetic energy has two different trajectories for going to a given point. In a quantum point of view, the electronic matter wave is divided into two parts, which follow both possible ways. As the electronic wave emitted by photodetachment is coherent, these two half-waves interfere. The recorded interference patterns are highly sensitive to the electron kinetic energy, which can thus be measured by comparison between the experimental data and the free electron model predictions. These high resolutlon spectroscopy measurements were used for testing the free electron model validity for the Si ̄and OH ̄anions, looking for possible interaction effects between the detached electron and the neutral species. The Si ̄anion enables us to show the validity of the method for an atom heavier than those previously studied. The OH ̄molecular anion was chosen for examining the dipolar potential effect on the interference images. We didn't see any modification of the images, and the obtained results validated this method for the measurements of diatomic anion detachment energies. These researches provided new values for the electron affinities of Si and OH, with an improved accuracy

Résumé: L'imagerie du sein est développée en associant données micro-ondes (MW) et ultrasonores (US) afin de détecter de manière précoce des tumeurs. On souhaite qu'aucune contrainte soit imposée, le sein étant supposé libre. Une 1re approche utilise des informations sur les frontières des tissus provenant de données de réflexion US. La régularisation intègre que deux pixels voisins présentent des propriétés MW similaires s'il ne sont pas sur une frontière. Ceci est appliqué au sein de la méthode itérative de Born distordue. Une 2de approche implique une régularisation déterministe préservant les bords via variables auxiliaires indiquant si un pixel est ou non sur un bord. Ces variables sont partagées par les paramètres MW et US. Ceux-ci sont conjointement optimisés à partir d'ume approche de minimisation alternée. L'algorithme met alternitivement à jour contraste US, marqueurs, et contraste MW. Une 3e approche implique réseaux de neurones convolutifs. Le courant de contraste estimé et le champ diffusé sont les entrées. Une structure multi-flux se nourrit des données MW et US. Le réseau produit les cartes des paramètres MW et US en temps réel. Outre la tâche de régression, une stratégie d'apprentissage multitâche est utilisée avec un classificateur qui associe chaque pixel à un type de tissu pour produire une image de segmentation. La perte pondérée attribue une pénalité plus élevée aux pixels dans les tumeurs si il sont mal classés. Une 4e approche implique un formalisme bayésien où la distribution a posteriori jointe est obtenue via la règle de Bayes ; cette distribution est ensuite approchée par une loi séparable de forme libre pour chaque ensemble d'inconnues pour obtenir l'estimation. Toutes ces méthodes de résolution sont illustrées et comparées à partir d'un grand nombre de données simulées sur des modèles synthétiques simples et sur des coupes transversales de fantômes mammaires numériques anatomiquement réalistes dérivés d'IRM dans lesquels de petites tumeurs artificielles sont insérées
Imaging of the breast for early detec-tion of tumors is studied by associating microwave (MW) and ultrasound (US) data. No registration is enforced since a free pending breast is tackled. A 1st approach uses prior information on tissue boundaries yielded from US reflection data. Regularization incorporates that two neighboring pixels should exhibit similar MW properties when not on a boundary while a jump allowed otherwise. This is enforced in the distorted Born iterative and the contrast source inversion methods. A 2nd approach involves deterministic edge preserving regularization via auxiliary variables indicating if a pixel is on an edge or not, edge markers being shared by MW and US parameters. Those are jointly optimized from the last parameter profiles and guide the next optimization as regularization term coefficients. Alternate minimization is to update US contrast, edge markers and MW contrast. A 3rd approach involves convolutional neural networks. Estimated contrast current and scattered field are the inputs. A multi-stream structure is employed to feed MW and US data. The network outputs the maps of MW and US parameters to perform real-time. Apart from the regression task, a multi-task learning strategy is used with a classifier that associates each pixel to a tissue type to yield a segmentation image. Weighted loss assigns a higher penalty to pixels in tumors when wrongly classified. A 4th approach involves a Bayesian formalism where the joint posterior distribution is obtained via Bayes’ rule; this true distribution is then approximated by a free-form separable law for each set of unknowns to get the estimate sought. All those solution methods are illustrated and compared from a wealth of simulated data on simple synthetic models and on 2D cross-sections of anatomically-realistic MRI-derived numerical breast phantoms in which small artificial tumors are inserted

Des micro-?ssures sont générées normalement dans le tissu osseux et résorbées par le remodelage osseux permanent. Une densité de ?ssures trop importante pourrait détériorer la résistance mécanique osseuse (RMO). Cependant les causes et les conséquences sur la RMO d’une accumulation du micro-endommagement osseux sont mal connues. De plus, aucune méthode non invasive de quanti?cation du niveau d’endommagement osseux existe aujourd’hui. Dans ce contexte, une méthode de mesure acoustique, localisée et sans contact, basée sur l’interaction non linéaire (NL) entre une onde acoustique basse-fréquence (BF) et des impulsions ultrasonores (US) a été développée. Les impulsions US sont émises à une cadence de tir environ 10 fois supérieure à la fréquence de l’onde BF. Le milieu est alors sondé à di?érents états de contrainte tri-axiale, en compression et traction. Les variations du temps de vol et de l’amplitude (ou de l’énergie) US rendent compte des e?ets NL acoustiques respectivement élastiques et dissipatifs. Les e?ets NL acoustiques élastiques et dissipatifs augmente généralement avec le niveau d’endommagement. Après une validation dans l’eau et des solides non endommagés, des mesures dans des matériaux ?ssurés et granulaires ont montré la sensibilité de la technique à la présence de ?ssures et de contact entre grains. En?n son application à l’os trabéculaire du calcanéum a montré que la zone de faible porosité pouvait produire de fortes non-linéarités acoustiques. Pour des échantillons endommagés in vitro par fatigue en compression et par compression quasi-statique, l’amplitude des non-linéarités acoustiques a montré une bonne corrélation avec l’observation histologique du niveau d’endommagement
Micro-cracks are normally generated in bone tissue and resorpted by permanent bone remodeling. A high crack density could a?ect bone strength. But the causes and consequences on bone strength of a microdamage accumulation are badly understood. Moreover no technique is available for noninvasive assessment of the level of bone damage in vivo. In that context, an acoustical method was developed for localized and non-contact measurement of elastic and dissipative nonlinearities, based on the interaction between a low-frequency acoustic pump wave and ultrasound probing pulses. The ultrasound pulses are emitted with a repetition frequency 10 times higher than the low frequency of the pump wave. The medium is thus probed in di?erent states of triaxial stress, successively in tension and in compression. The ultrasound time of ?ight and amplitude (or energy) modulations give access to nonlinear elasticity and dissipation, respectively. The amplitude of acoustic nonlinearities generally increases with the level of damage in materials. After validation in water and undamaged solids, measurements were conducted in cracked and granular media and showed a good sensitivity of the method to the presence of cracks and contacts between grains. Finally its application to calcaneus trabecular bone showed that the low-porosity region can exhibit high acoustic nonlinearities. Furthermore, for mechanically damaged samples, either in compressive fatigue or in quasi-static compression, the amplitude of acoustic nonlinearities were well correlated with the level of damage observed by histology