Thesis by POLICHETTI Maxime
Adaptive array processing for passive ultrasound imaging of cavitation
Defended on 1 october 2019
This work focuses on the spatio-temporal monitoring by ultrasonic imaging of acoustic cavitation used in some ultrasound therapy techniques, corresponding to the formation of gas bubbles that oscillate and implode. Initially, TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping) method was developed to map cavitation activity from acoustic signals emitted by bubbles, passively recorded by a linear ultrasonic imaging probe. However, TD-PAM suffers from too low resolution and many reconstruction artifacts. In addition, it is time-consuming because it is formalized in the time domain (TD). To overcome these two limitations, this work proposes advanced methods of passive ultrasound imaging. This manuscript is structured around three main contributions: An original adaptive method has been formalised in the time domain, based on the amplitude compression of ultrasonic signals by root pth: TD-p This approach improves the resolution and contrast of cavitation maps for a computing time equivalent to the TD-PAM. The notion of cross-spectral density matrix has been introduced for cavitation imaging. Four Fourier domain (FD) imaging methods were therefore studied adapted and compared: FD-PAM (non-adaptive), Robust Capon FD-RCB (adaptive, by optimization), Functional Beamforming FD-FB (adaptive, by non-linear compression) and MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptive, by subspace projection). The performance of these FD methods was studied experimentally in vitro in water tank with a comparison by optical imaging. The proposed adaptive FD methods have demonstrated their potential to improve spatial and temporal tracking of bubbles. FD-RCB offers a superior localization to FD-PAM but suffers from a high algorithmic complexity. The performance of FD-FB is intermediate to that of FD-PAM and FD-RCB, for a calculation complexity equivalent to FD-PAM. FD-MUSIC has the potential to highlight weak acoustic sources, but does not keep their relative quantifications.
Traitement d'antenne adaptatif pour l'imagerie ultrasonore passive de la cavitation
Soutenue le 1 October 2019
Ce travail s'intéresse au suivi spatio-temporel par imagerie ultrasonore de la cavitation acoustique, utilisée au cours de certaines techniques de thérapie par ultrasons, correspondant à la formation de bulles de gaz qui oscillent et éclatent. Initialement, la méthode TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping, en anglais), a été développée pour cartographier l’activité de cavitation à partir des signaux acoustiques émis par les bulles, enregistrés passivement par une sonde linéaire d'imagerie ultrasonore. Toutefois, le TD-PAM souffre d’une trop faible résolution et de nombreux artefacts de reconstruction. De plus, il est lourd en temps de calcul car il est formalisé dans le domaine temporel (TD). Pour pallier ces deux limitations ce travail propose des méthodes avancées d'imagerie ultrasonore passive de la cavitation. Il s'articule autour de trois contributions principales : - Une méthode adaptative originale a été formalisée dans le domaine temporel, reposant sur la compression d'amplitude des signaux ultrasonores par racine pème : le TD-pPAM. Cette approche améliore la résolution et le contraste des cartes de cavitation pour un temps de calcul équivalent au TD-PAM. - La notion de matrice de densité inter-spectrale a été introduite pour l'imagerie de la cavitation. Dès lors, quatre méthodes d’imagerie dans le domaine de Fourier (FD) ont été étudiées, adaptées et comparées : le FD-PAM (non-adaptatif), la méthode Robuste de Capon FD-RCB (adaptatif, par optimisation), le Functional Beamforming FD-FB (adaptatif, par compression non-linéaire) et la méthode MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptatif, par projection en sous-espaces). - Les performances de ces méthodes FD ont été étudiées expérimentalement in vitro en cuve d’eau avec une comparaison par imagerie optique. Les méthodes adaptatives FD proposées ont démontré leur potentiel à améliorer le suivi spatio-temporel des bulles. Le FD-RCB offre une localisation supérieure au FD-PAM mais souffre d'une importante complexité algorithmique. Les performances du FD-FB sont intermédiaires à celles du FD-PAM et du FD-RCB, pour une complexité de calcul équivalente au FD-PAM. Le FD-MUSIC a le potentiel de mettre en évidence de faibles sources acoustiques, mais ne conserve pas leurs quantifications relatives.
Defended on 1 october 2019
This work focuses on the spatio-temporal monitoring by ultrasonic imaging of acoustic cavitation used in some ultrasound therapy techniques, corresponding to the formation of gas bubbles that oscillate and implode. Initially, TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping) method was developed to map cavitation activity from acoustic signals emitted by bubbles, passively recorded by a linear ultrasonic imaging probe. However, TD-PAM suffers from too low resolution and many reconstruction artifacts. In addition, it is time-consuming because it is formalized in the time domain (TD). To overcome these two limitations, this work proposes advanced methods of passive ultrasound imaging. This manuscript is structured around three main contributions: An original adaptive method has been formalised in the time domain, based on the amplitude compression of ultrasonic signals by root pth: TD-p This approach improves the resolution and contrast of cavitation maps for a computing time equivalent to the TD-PAM. The notion of cross-spectral density matrix has been introduced for cavitation imaging. Four Fourier domain (FD) imaging methods were therefore studied adapted and compared: FD-PAM (non-adaptive), Robust Capon FD-RCB (adaptive, by optimization), Functional Beamforming FD-FB (adaptive, by non-linear compression) and MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptive, by subspace projection). The performance of these FD methods was studied experimentally in vitro in water tank with a comparison by optical imaging. The proposed adaptive FD methods have demonstrated their potential to improve spatial and temporal tracking of bubbles. FD-RCB offers a superior localization to FD-PAM but suffers from a high algorithmic complexity. The performance of FD-FB is intermediate to that of FD-PAM and FD-RCB, for a calculation complexity equivalent to FD-PAM. FD-MUSIC has the potential to highlight weak acoustic sources, but does not keep their relative quantifications.
Traitement d'antenne adaptatif pour l'imagerie ultrasonore passive de la cavitation
Soutenue le 1 October 2019
Ce travail s'intéresse au suivi spatio-temporel par imagerie ultrasonore de la cavitation acoustique, utilisée au cours de certaines techniques de thérapie par ultrasons, correspondant à la formation de bulles de gaz qui oscillent et éclatent. Initialement, la méthode TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping, en anglais), a été développée pour cartographier l’activité de cavitation à partir des signaux acoustiques émis par les bulles, enregistrés passivement par une sonde linéaire d'imagerie ultrasonore. Toutefois, le TD-PAM souffre d’une trop faible résolution et de nombreux artefacts de reconstruction. De plus, il est lourd en temps de calcul car il est formalisé dans le domaine temporel (TD). Pour pallier ces deux limitations ce travail propose des méthodes avancées d'imagerie ultrasonore passive de la cavitation. Il s'articule autour de trois contributions principales : - Une méthode adaptative originale a été formalisée dans le domaine temporel, reposant sur la compression d'amplitude des signaux ultrasonores par racine pème : le TD-pPAM. Cette approche améliore la résolution et le contraste des cartes de cavitation pour un temps de calcul équivalent au TD-PAM. - La notion de matrice de densité inter-spectrale a été introduite pour l'imagerie de la cavitation. Dès lors, quatre méthodes d’imagerie dans le domaine de Fourier (FD) ont été étudiées, adaptées et comparées : le FD-PAM (non-adaptatif), la méthode Robuste de Capon FD-RCB (adaptatif, par optimisation), le Functional Beamforming FD-FB (adaptatif, par compression non-linéaire) et la méthode MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptatif, par projection en sous-espaces). - Les performances de ces méthodes FD ont été étudiées expérimentalement in vitro en cuve d’eau avec une comparaison par imagerie optique. Les méthodes adaptatives FD proposées ont démontré leur potentiel à améliorer le suivi spatio-temporel des bulles. Le FD-RCB offre une localisation supérieure au FD-PAM mais souffre d'une importante complexité algorithmique. Les performances du FD-FB sont intermédiaires à celles du FD-PAM et du FD-RCB, pour une complexité de calcul équivalente au FD-PAM. Le FD-MUSIC a le potentiel de mettre en évidence de faibles sources acoustiques, mais ne conserve pas leurs quantifications relatives.
