Amélioration de la résolution en imagerie ultrasonore

THÈSE
THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par : l’Université Toulouse III Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Présentée et soutenue le 29/11/2013 par :
Amélioration de la résolution en imagerie ultrasonore
JURY
Olivier BASSET Professeur, INSA Lyon Rapporteur
Christian JUTTEN Professeur, Université Joseph Fourier Rapporteur
Olivier ADAM Professeur, Université Paris Sud Examinateur
Adrian BASARAB Maître de Conférences, Université Paul Sabatier Examinateur
Jean-Marc GIRAULT Maître de Conférences, Université François Rabelais Examinateur
Jean-Yves TOURNERET Professeur, INP-ENSEEIHT Examinateur
Denis KOUAMÉ Professeur, Université Paul Sabatier Directeur de Thèse
Stéphanie BIDON Enseignant-Chercheur, ISAE Co-Directrice de Thèse
École doctorale et spécialité :
MITT : Image, Information, Hypermedia
Unités de Recherche :
Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (UMR CNRS 5505)
Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (DEOS/SCAN)
Directeurs de Thèse :
Denis KOUAMÉ
Stéphanie BIDON
Rapporteurs :
Olivier BASSET
Christian JUTTEN

Remerciements
J’adresse mes premiers remerciements `a Denis Kouam´e et St´ephanie Bidon, directeur et co-
directrice de cette th`ese, pour m’avoir permis de d´ecouvrir le m´etier de chercheur dans des conditions
extrˆemement enrichissantes. C’est avant tout grˆace `a leurs conseils abondants et avis´es, leur grande
disponibilit´e, mais aussi et surtout grˆace `a leurs comp´etences respectives que ce travail de th`ese s’est
av´er´e aussi int´eressant. Je tiens `a leur exprimer ma plus profonde gratitude pour leur aide aussi vari´ee
que g´en´ereuse.
Je souhaite remercier chaleureusement l’ensemble des membres du jury pour l’int´erˆet qu’ils ont
port´e `a mon travail. Je tiens `a exprimer ma reconnaissance la plus sinc`ere `a Olivier Basset et Chris-
tian Jutten pour avoir accept´e de rapporter cette th`ese, ainsi qu’`a Olivier Adam, Adrian Basarab,
Jean-Marc Girault et Jean-Yves Tourneret pour l’avoir examin´ee.
Outre la collaboration entre l’IRIT et l’ISAE (l’ENSICA, plus pr´ecis´ement), cette th`ese a ´et´e
rendue possible grˆace au soutien de la R´egion Midi-Pyr´en´ees.
D’octobre 2010 `a octobre 2013, mes journ´ees ont ´et´e principalement rythm´ees par la vie du
laboratoire et tous les ´ev´enements associ´es. Aussi, `a ce titre, je remercie l’ensemble des personnes,
enseignants-chercheurs et techniciens, secr´etaires et biblioth´ecaires, doctorants et autres «´etudiants »,
qui ont œuvr´e `a cette atmosph`ere chaleureuse.
De mani`ere moins collective, je remercie une nouvelle fois Adrian pour tout ces moments de boulot
qui furent un vrai plaisir, mais aussi pour tous les `a-cot´es tr`es sympathiques. Je remercie ´egalement
Basarab pour le temps que l’on a pass´e ensemble `a Paris et pour ce d´ebut de collaboration qui ne
manquera pas de se concr´etiser.
Je tiens `a t´emoigner ma reconnaissance ainsi que mon affection pour les personnes avec qui j’ai
partag´e les bureaux 201 et 211 : le premier d’entre eux, R´emi, batteur jusqu’au bureau, mais aussi
Marie, Florian et Teodora. Je vous souhaite `a tous une tr`es belle et tr`es bonne route. Je remercie
Lionel, crois´e `a l’intersection des Dead Kennedys et de la variation totale, pour tous ces moments
agr´eables qui ont balis´e ces derni`eres ann´ees. Je remercie ´egalement Fran¸cois pour son aide pr´ecieuse
en mati`ere d’optimisation qui m’aura permis in fine de compter CUDA parmi mes amis. J’adresse
iii

par ailleurs un grand merci `a toute l’´equipe TCI et plus particuli`erement `a toutes les personnes que
j’ai pu croiser au d´etour d’une r´eunion, d’un caf´e, ou d’une formation en langue des signes : R´emi,
Arturo, Zacharie, Alain, Christophe, Monia, Juliette et Patrice. Enfin, merci `a Anne-Marie pour sa
disponibilit´e et son aide de qualit´e lors de mes d´erives bibliographiques.
Je n’oublie pas les th´esards de l’ENSEEIHT : je remercie notamment Yoann, Abderrahim et C´ecile
pour l’ambiance chaleureuse entre deux TPs de Traitement du Signal. Je souhaite ´egalement adresser
mes remerciements `a Nicolas pour son aide «administrative »li´ee aux enseignements. Pour avoir
´eclair´e une sombre journ´ee de 2010 sur l’ˆıle de La R´eunion, j’aimerais exprimer ma tr`es grande grati-
tude `a Corinne qui m’a aiguill´e sur les rails de cette th`ese. Un dernier merci `a Cathy pour sa naturelle
sympathie et pour sa disponibilit´e sans faille.
Je termine la tourn´ee des laboratoires en remerciant Denis et S´ebastien pour ces moments partag´es
lors de mes journ´ees `a l’ENSICA.
Il me serait bien difficile de remercier, de mani`ere individuelle, l’ensemble des personnes qui ont
contribu´e de mani`ere plus ou moins indirecte `a l’aboutissement de cette th`ese. Je tiens cependant `a
remercier tout particuli`erement – et dans le d´esordre – ces amis qui ont su m’´ecouter, me divertir ou
m’accompagner dans ces moments opportuns, dans des instants de joie ou de douleur. D’immenses
et ant´ep´enulti`emes mercis, donc, `a Robin, Olivier R., Olivier B., ´ Elodie, Xiaofan, Charlene, Yohann
et Cl´ement. Les autres se reconnaitront d’eux-mˆemes, je l’esp`ere, en voulant bien m’excuser de ne les
avoir point cit´es.
Je remercie enfin ma famille pour son soutien et ses encouragements, avant, pendant, et apr`es
cette th`ese. Ce fut un petit plaisir personnel de la voir r´eunie au grand complet (ou presque) ce
jour de novembre 2013. Je ne peux naturellement pas r´efr´ener cette ultime pens´ee pour celle dont le
chemin s’est arrˆet´e, en cours de route, au cœur de l’´et´e.
Mais mes derniers remerciements, last but not least, je les adresse bien ´evidemment `a celle qui a
partag´e avec moi toutes ces ann´ees et toutes ces ´epreuves, celle qui a su m’encourager et me soutenir
en toute occasion. Je ne saurai jamais lui exprimer pleinement ma gratitude. Merci.
Renaud
iv

R´esum´e
L’imagerie ultrasonore est une modalit´e d’imagerie m´edicale couramment utilis´ee pour l’´etablisse-
ment de diagnostics de th´erapie ou de suivi divers (croissance du fœtus, d´etection de certains cancers,
assistance `a la r´ealisation d’actes th´erapeutiques). Si cette modalit´e dispose de nombreux avantages
comme son innocuit´e, sa facilit´e d’utilisation et son faible coˆut, elle souffre cependant d’une r´eso-
lution spatiale limit´ee quand on la compare `a d’autres modalit´es comme l’imagerie par r´esonance
magn´etique.
L’am´elioration de la r´esolution des images ultrasonores est un d´efi de taille et de tr`es nombreux
travaux ont depuis longtemps explor´e des approches instrumentales portant sur l’optimisation du
dispositif d’acquisition. L’imagerie ´echographique haute r´esolution permet ainsi d’atteindre cet ob-
jectif `a l’aide de sondes particuli`eres mais se trouve aujourd’hui confront´ee `a des limitations d’ordre
physique et technologique.
L’objet de cette th`ese est d’adopter une strat´egie de post-traitement afin de contourner ces
contraintes inh´erentes aux approches instrumentales. Dans ce contexte, nous pr´esentons deux ap-
proches pour l’am´elioration de la r´esolution des images ultrasonores, selon que les donn´ees disponibles
prennent la forme d’une s´equence d’images ou d’une image unique. Dans le premier cas, l’adapta-
tion d’une technique d’estimation du mouvement originellement propos´ee pour l’´elastographie nous
permet d’´etablir un cadre de reconstruction haute r´esolution efficace d´edi´e `a la modalit´e qui nous int´e-
resse. Cette approche est ´evalu´ee `a l’aide d’une simulation r´ealiste d’images ultrasonores avant d’ˆetre
appliqu´ee `a des donn´ees in vivo. Nous proposons ensuite, dans le cadre du traitement d’une seule
image, deux m´ethodes de d´econvolution rapide pour l’am´elioration de la r´esolution. Ces approches
prennent en compte, suivant leur disponibilit´e, certaines informations a priori sur les conditions d’ac-
quisition comme la r´eponse impulsionnelle spatiale du syst`eme. Les r´esultats sont caract´eris´es dans
un premier temps `a l’aide de donn´ees synth´etiques et sont ensuite valid´es sur des images in vivo.
Mots-cl´es −Imagerie ultrasonore, traitement du signal et de l’image, am´elioration de la r´esolu-
tion, probl`emes inverses, d´econvolution, optimisation, recalage d’images.
v