Development and Validation of Innovative Ultrasound Flow Imaging Methods

Italiano Gli ultrasuoni sono molto utilizzati per descrivere il flusso sanguigno grazie ai numerosi vantaggi che offrono sia per il clinico, in termini di performance, costi-benefici, portabilità e relativa semplicità di utilizzo, sia per il paziente, per l'innocuità e la rapidità di diagnosi. I metodi convenzionali presentano alcuni importanti svantaggi (misure 1-D del flusso e frame-rate limitati) ampiamente superabili adottando le moderne metodiche vettoriali, che offrono descrizioni dettagliate del flusso, fornendo al contempo diagnosi precise delle malattie a carico del sistema cardiovascolare. Questo progetto di ricerca ha riguardato lo sviluppo di metodi innovativi per il blood flow imaging. A partire da un’analisi dello stato dell’arte in questo ambito, alcune tecniche sono state validate sperimentalmente, sia dal punto di vista tecnico che in ambito clinico, mediante un potente ecografo di ricerca (ULA-OP). In una ricerca clinica, due metodiche real-time vettoriali già implementate su ULA-OP sono state paragonate a metodiche Doppler usate convenzionalmente durante gli esami ecografici dell’arteria carotide. I risultati di questo studio hanno evidenziato i benefici delle metodiche vettoriali, specialmente in termini di accuratezza e ripetibilità. Inoltre, è stato proposto l’utilizzo di onde piane in trasmissione per migliorare una tecnica di imaging pre-esistente, basata su oscillazioni trasversali alla direzione di propagazione dell’onda ultrasonora. Questa soluzione ha reso possibile generare oscillazioni trasversali in regioni estese del campo acustico in ricezione, per la stima vettoriale di flussi sanguigni ad elevato frame-rate. La trasmissione di onde piane è stata utilizzata per ottenere mappe bidimensionali del flusso sanguigno attraverso un algoritmo di nuova concezione, che stima lo spostamento direttamente nel dominio della frequenza. Attraverso simulazioni e prove sperimentali (anche in vivo), è stato dimostrato che il nuovo metodo è in grado di ottenere elevate precisioni riducendo drasticamente la complessità computazionale. L’impiego di questa metodica ha consentito di rilevare flussi sanguigni all’interno dell’arteria carotide comune con dettagli emodinamici di qualità senza precedenti. Infine, è stata proposta e testata un’implementazione software del metodo basata sull’utilizzo di una scheda grafica (GPU), con lo scopo di ridurre il tempo computazionale favorendo l’utilizzo del metodo in ambito clinico. English Ultrasound imaging are featured by high resolutions and extreme safety for the patients. In blood flow imaging, Doppler ultrasound is widely used to check up the vascular functionality. The clinician uses triplex modalities, which allow explorations of both the anatomical and functional aspects. However, such prompt strategies present some limitations. Only the axial component of the velocity is estimated and, to calculate the velocity magnitude, the clinician must manually (and maybe approximately) adjust the flow direction. Furthermore, classic Doppler measurements presuppose a tradeoff between the extent of the region under investigation and the frame-rate. In this PhD project, some effective solutions for blood flow imaging are proposed. First, a comparison study in a clinical environment assessed the advantages of novel vector methods with respect to the standard Doppler approaches. Such techniques automatically estimate the 2-D vector velocity in real-time, with benefits in terms of accuracy and repeatability. Then, plane waves have been introduced to increase the frame rate and the extension of the region of interest. The transverse oscillations theory was adapted to plane-wave imaging for blood flow estimations. A novel velocity estimation algorithm operating in the frequency domain was developed and validated. These methods aim at overcoming the tradeoff required by conventional modes. The accuracy of the methods were demonstrated by simulations and experiments. For the frequency-domain method, a software solution implemented on a GPU board was tested to reduce the computational time and support the clinical employment of the method on next generation systems. Français L’échographie est largement utilisée pour l’imagerie du flux sanguin pour ses nombreux avantages tels que son innocuité, son cout réduit, sa facilité d’utilisation et ses performances. Les limites des méthodes conventionnelles d’imagerie du flux sanguin (estimation 1-D et faible cadence d’imagerie) ont été réduites par des techniques d’approches vectorielles (2-D) offrant une meilleure description du flux et donc un meilleur diagnostic des pathologies cardio-vasculaire. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes ultrasonores d’imagerie du flux sanguin. Après une étude bibliographique, plusieurs approches ont été étudiées en détail jusqu’à leur implémentation sur l’échographe de recherche ULA-OP développé au sein du laboratoire et ont été validées en laboratoire et en clinique. La transmission d’ondes planes a été proposée pour améliorer la technique d’imagerie utilisant les oscillations transverses. Des champs de pressions ultrasonores présentant des oscillations transverses sont générés dans de larges régions et exploités pour l’estimation vectorielle du flux sanguin à une haute cadence d’imagerie. Des cartes du flux sanguin sont obtenues grâce à une technique s’appuyant sur la transmission d’ondes planes couplées à un nouvel algorithme d’estimation de la vitesse dans le domaine fréquentiel. Les méthodes vectorielles implémentées en temps réel dans le ULA-OP ont été comparées à la méthode Doppler classique lors d’une étude clinique. Les résultats ont montré le bénéfice des méthodes vectorielles en termes de précision et de répétabilité. La nouvelle méthode proposée a démontré sa grande précision ainsi que son gain en terme de temps de calcul aussi bien en simulations qu’en acquisitions en laboratoire ou lors d’essais in vivo. L’étude du flux sanguin dans la carotide commune a révélé des détails de l’hémodynamique d’une qualité non attendue. Une solution logicielle temps réel implémentée sur une carte GPU a été proposée et testée afin de réduire encore le temps de calcul et permettre l’emploi de la méthode en clinique.