L'échographie pour l'imagerie médicale et la sismologie pour l'imagerie de l'intérieur de la Terre mesurent la propagation des ondes à travers la matière. Par exemple, lorsque les ondes sismiques rencontrent des différences matérielles à l'intérieur de la Terre, comme entre différentes formations rocheuses, elles sont réfléchies et réfractées à leurs interfaces. En conséquence, la vitesse des vagues change. Si les chercheurs mesurent ces ondes à la surface, ils peuvent tirer des conclusions sur la structure de l'intérieur de la Terre, ainsi que sur la composition des roches et leurs propriétés matérielles telles que la densité, la pression ou la température.

À l'aide d'algorithmes sophistiqués et d'ordinateurs performants tels que Piz Daint du CSCS, des chercheurs comme Andreas Fichtner de l'ETH Zurich, professeur à l'Institut de géophysique et chef du groupe de sismologie et de physique des vagues, peuvent utiliser ces données ondulatoires pour caractériser les trois -structure dimensionnelle de la Terre. Les parallèles avec la propagation entre les ultrasons et les ondes sismiques, ainsi que le savoir-faire de l'équipe dans le domaine de la physique des ondes - comment les informations transportées par les ondes peuvent être utilisées et converties en images - ont conduit le professeur de l'EPF et son groupe à étudier également les ondes propagation pour les ultrasons médicaux.

Les chercheurs continuent de travailler avec des médecins de l'hôpital universitaire de l'Université de Zürich pour développer davantage ces techniques. Si Marty réussit au cours des trois prochaines années de sa thèse de doctorat à développer davantage les procédures de maillage et d'imagerie du cerveau, ces mêmes méthodes pourraient être transférables à d'autres parties du corps, comme les genoux ou les coudes. Cela constituerait une base prometteuse pour le développement d'un appareil à ultrasons correspondant.

Patrick Marty, Ph. D. étudiant dans le groupe de Fichtner, développe maintenant dans sa thèse de doctorat une méthode pour surmonter ce défi avec le soutien de Christian Böhm, chercheur principal au sein du groupe de sismologie et de physique des ondes. Cette méthode devrait servir de base à l'imagerie du cerveau avec des ultrasons en haute résolution, selon les scientifiques.

Pour simuler la propagation des ondes dans le cerveau, les chercheurs développent des algorithmes qui effectuent de nombreux calculs sur une grille spéciale appelée mesh. Au cœur de cela se trouve un progiciel appelé Salvus. Développé à l'ETH Zurich avec le soutien du CSCS, Salvus modélise la propagation du champ d'onde complet (forme d'onde complète) sur des échelles spatiales allant de quelques millimètres à des milliers de kilomètres. Les sismologues de l'ETH utilisent ce logiciel pour simuler des ondes sismiques, par exemple pour explorer l'intérieur de la Terre ou de Mars, et maintenant aussi pour l'imagerie médicale. Le progiciel utilise la méthode des éléments spectraux (SEM), qui est particulièrement bien adaptée pour simuler la propagation des ondes dans les milieux avec des transitions matérielles à contraste élevé, comme les tissus mous du cerveau et les os.

"Contrairement aux ultrasons conventionnels, qui n'utilisent que l'heure d'arrivée des ondes, nous utilisons l'intégralité des informations sur les ondes dans nos simulations", explique Marty. Cela signifie que la forme, la fréquence, la vitesse et l'amplitude de l'onde à chaque point de sa propagation entrent dans les calculs.

Apprentissage sur un scanner d'imagerie par résonance magnétique

Pour leur modèle, les chercheurs utilisent d'abord une IRM du cerveau comme référence. Puis, sur le supercalculateur Piz Daint, ils effectuent des calculs avec différents paramètres jusqu'à ce que l'image simulée corresponde à celle de l'IRM.

Avec cette méthode, ils obtiennent une image quantitative au lieu de l'image en niveaux de gris moins informative commune aux ultrasons conventionnels. En utilisant toutes les informations du champ d'onde complet, les chercheurs peuvent cartographier correctement les propriétés physiques du milieu - la vitesse à laquelle les ondes ultrasonores se propagent à travers le tissu, leurs propriétés d'amortissement et la densité du tissu - à chaque point du cerveau. Cela permet finalement de déterminer le type de tissu et de distinguer s'il s'agit d'une masse cérébrale ou d'un tissu tumoral, par exemple, puisque la densité, l'atténuation ou la vitesse du son associée aux différents types de tissus sont connues grâce à des expériences en laboratoire.

Les chercheurs sont convaincus que cette méthode peut être utilisée pour distinguer les tissus sains des tissus malades tout en étant à la fois non invasive et rentable. Plus précisément, cette méthode pourrait être introduite dans un ordinateur intégré à un appareil à ultrasons spécialement développé à cet effet. L'ordinateur effectuerait une série de calculs à l'aide des signaux ultrasonores enregistrés par les capteurs, et le résultat serait une image 3D du cerveau examiné. Cependant, les chercheurs soulignent qu'il reste encore un long chemin à parcourir avant que cela puisse entrer dans la pratique clinique.

Un défi particulier restant est la géométrie complexe du crâne, due aux cavités des yeux, du nez et de la mâchoire, etc., qui doit être modélisée avec précision dans la simulation sans augmenter considérablement le temps de calcul. Pour résoudre ce problème, Marty développe des méthodes qui créent des maillages numériques individuels pour des formes de crâne arbitraires à partir d'hexaèdres (petits éléments qui ont six faces). "Avec ces petits cubes déformés, nous sommes 100 à 1000 fois plus rapides que si nous travaillions avec des tétraèdres", explique Böhm. "De plus, le projet bénéficie grandement des nouveaux développements en matière de cartes graphiques, comme celles que nous avons à Piz Daint et, à l'avenir, à Alps. Elles sont idéales pour cette méthode."

Ainsi, il y a environ six ans, le groupe de recherche a travaillé avec des médecins pour développer avec succès des méthodes d'échographie pour la détection précoce du cancer du sein. L'équipe étudie actuellement comment le cerveau peut être examiné par ultrasons. Avec cette méthode, les chercheurs et les médecins pourraient un jour surveiller les patients victimes d'AVC ou identifier des tumeurs cérébrales, par exemple.

Examen non invasif et économique

Par rapport à la tomodensitométrie (CT) ou aux rayons X, l'échographie présente un avantage décisif :la procédure est presque entièrement inoffensive pour le corps. De plus, il est beaucoup plus rentable que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), par exemple, et les appareils à ultrasons sont transportables pour une utilisation dans des régions éloignées. Le problème, cependant, est que jusqu'à présent, les ultrasons n'ont bien fonctionné que pour les tissus mous - il est très difficile d'obtenir des ondes ultrasonores à travers des structures dures telles que le crâne, car l'os réfléchit et amortit fortement les ondes. + Explorer plus loin

Modèle théorique décrivant le mouvement des ondes ultrasonores en présence de plusieurs bulles