Imagerie multi-éléments

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L’expertise de l’Institut Langevin dans les techniques multi-éléments a débuté en acoustique, dès les années 90, avec l’invention des miroirs à retournement temporels acoustiques. Aujourd’hui, elle recouvre diverses technologies multi-éléments : réseaux de microphones ou de transducteurs piézo-électriques, réseaux d’antennes micro-ondes, réseaux de capteurs CCD, modulateurs spatiaux de lumière. Les développements de méthodes multi-éléments se poursuivent, en particulier autour des méthodes matricielles de filtrage, des méthodes d’échantillonnage compressif ou encore l’extraction des fonctions de Green par corrélation de bruit. Des méthodes de formation de voies classiques sont également adaptées à de nouvelles applications en imagerie acoustique dynamique.

Imager à partir de la matrice des réponses inter-éléments

L’utilisation d’un formalisme matriciel décrivant les miroirs à retournement temporel acoustique a conduit au développement de la méthode D.O.R.T. Celle-ci a été appliquée à la détection acoustique sous-marine par petit fond et au contrôle ultrasonore des solides. Il s’agit simplement de mesurer la matrice des réponses inter-élément d’un réseau d’émetteurs et de récepteurs placé dans un milieu d’intérêt et d’en réaliser une décomposition en valeurs singulières à chaque fréquence. Celle-ci fournit les invariants de l’opérateur de retournement temporel et, par exemple, les lois permettant de focaliser sélectivement sur les diffuseurs. Cette approche, qui suppose la linéarité de la propagation, a été ensuite transposée à d’autres ondes : les micro-ondes pour la détection radar à travers les murs et les ondes optiques pour la caractérisation de diffuseurs.

Plus récemment, nous avons proposé de nouvelles méthodes de mesure et de filtrage de cette matrice des réponses, notamment pour améliorer la capacité de détection d’un objet dont l’écho est noyé dans un signal de diffusion multiple. Plusieurs collaborations ont été menées sur les applications au contrôle non destructif. Ainsi, la méthode DORT a été appliquée au contrôle d’acier ou de matériaux polymères très atténuants dans le cadre de collaborations avec le CEA LIST et au contrôle du titane à fort fibrage avec SAFRAN Tech. Lors d’une collaboration avec EDF, il a été montré que l’association de la méthode DORT et d’une technique de filtrage de la diffusion multiple, méthode baptisée MSF-DORT, permettait la détection de défauts au-delà de plusieurs libres parcours moyens dans des alliages de Nickel réputés difficiles à contrôler (thème OMC) .

Par ailleurs, ces méthodes de filtrage sont intéressantes pour étudier les ondes élastiques guidées. Elles ont permis la mis en évidence du rayonnement d’ondes circonférentielles à vitesse de phase négative se propageant dans les coques minces. Lors d’une collaboration avec le Laboratoire d’Imagerie Biomédicale, elles ont été utilisées pour la détection et l’identification d’ondes guidées se propageant dans l’os cortical.
Les travaux en cours visent à développer un échographe à ondes de Lamb capable de caractériser des matériaux en forme de plaque en temps réel.

  1. "Ultrasonic Imaging in Highly Attenuating Materials With Hadamard Codes and the Decomposition of the Time Reversal Operator", E. Lopez Villaverde, S. Robert, and C. Prada, IEEE Trans. on UFFC, (2017)
  2. "Ultrasonic imaging of defects in coarse-grained steels with the decomposition of the time reversal operator", EL Villaverde, S Robert, C Prada, J. Acoust. Soc. Am 140 (1), 541-550, (2016).
  3. "Evaluation of a multiple scattering filter to enhance defect detection in heterogeneous media". Shahjahan, S., F. Rupin, A. Aubry, and A. Derode, J. Acoust. Soc. Am 141, 624–640 no. 1 (2017).
  4. "Effect of microstructural elongation on backscattered field : Intensity measurement and multiple scattering estimation with a linear transducer array", Baelde A, Laurent J, & al., Ultrasonics (2018).
  5. "Measurement of dispersion curves of circumferential quided waves radiating from curved shells : Theory and numerical validation" M. Chekroun, J.-G. Minonzio, C. Prada, P. Laugier, and Q. Grimal,J. Acoust. Soc. Am. 139 (2), 790-799, (2016)

Imagerie à nombre réduit de capteurs

Si les technologies multi-capteurs s’avèrent très efficaces pour exploiter la diversité spatiale et temporelle d’une onde, des contraintes pratiques imposent souvent de limiter le nombre d’antennes. Afin de réduire le nombres de capteurs, deux approches ont été mis en œuvre, la première en adaptant le traitement du signal au caractère parcimonieux des ondes, l’autre en concevant de nouveaux capteurs intelligents.

Méthodes d’échantillonnage compressif :
Une stratégie pour réduire le nombre de capteurs nécessaires pour acquérir un signal d’intérêt consiste à s’appuyer sur la parcimonie des ondes à l’aide des méthodes de compressed sensing.

Ainsi, nous avons établi un parallèle entre le nombre d’échantillons dans une procédure d’échantillonnage et le nombre de capteurs dans un schéma d’imagerie multi-éléments en physique des ondes linéaires. Nous avons appliqué ce principe à la localisation de sources acoustiques en milieu réverbérant et au contrôle d’ondes électromagnétiques à partir de la seule mesure de l’intensité. Nous avons ensuite transposé ce principe en optique pour réaliser une implémentation analogique de l’opération mathématique de projection aléatoire, ce qui a donné lieu à un dépôt de brevet et à la création, en Juin 2016, de la startup LIGHTON. Son objectif est de construire des processeurs optiques ultrarapides pour réaliser de façon très efficace, et pour un faible coût énergétique, des calculs intervenant dans le traitement de données massives (big data).

  1. "A Blind Dereverberation Method for Narrowband Source Localization", Chardon, G., T. Nowakowski, J. De Rosny, and L. Daudet, Ieee Journal Of Selected Topics In Signal Processing 9, 815-824 (2015).
  2. "Intensity-only measurement of partially uncontrollable transmission matrix : demonstration with wave-field shaping in a microwave cavity", Del Hougne, P., B. Rajaei, L. Daudet, and G. Lerosey, Optics Express 24, 18631-18641 (2016).
  3. "Imaging with nature : compressive imaging using a multiply scattering medium", Liutkus, A., D. Martina, S. Popoff, G. Chardon, O. Katz, G. Lerosey, S. Gigan, L. Daudet, and I. Carron.Scientific reports 4, 5552 (2014).

Imagerie acoustique mono-élément  : L’onde élastique se propageant dans une cavité réverbérante rayonne dans l’air. Nous avions déjà montré comment exploiter ce rayonnement pour apprendre à focaliser une impulsion en tout point d’un milieu d’intérêt à partir d’un transducteur unique couplé à la cavité. On transforme ainsi l’unique capteur en un réseau virtuel de capteurs dont l’ouverture est donnée par la surface de sortie de la cavité.
Nous avons montré comment accroitre l’efficacité de la focalisation en augmentant la densité de modes dans la plaque et montré comment optimiser l’impédance acoustique de la plaque pour favoriser le couplage avec l’air.

  1. N. Etaix, J. Dubois, M. Fink and R. K. Ing , "Increasing the modal density in plates for mono-element focusing in air", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 134 (2), pp. 1049-1054,2013.
  2. J. Dubois and R. K. Ing. Effective thickness and eigenmodes of a plate with blind holes. Proceedings of Acoustics 2013, New Delhi, India, November 10-15, 2013.

Applications en imagerie acoustique dynamique

Suivi de mouvements basse fréquence : Nous avons développé un sonar ultrasonore aérien qui fonctionne comme un stéthoscope sans contact. En collaboration avec le Professeur T. Similowski de l’Hôpital de la Pitié Salpêtrière, nous avons montré qu’il permet, à distance (typiquement à 1m50 du patient), le monitoring de la respiration. En offrant une alternative au spiromètre, qui est un dispositif intrusif, ce système pourrait ainsi répondre à une problématique importante en neurophysiologie respiratoire. La sensibilité de la technique est telle que le battement cardiaque peut également être mesuré. Cet imageur sans contact est désormais étudié pour l’observation de la ventilation et des battements cardiaques au niveau du thorax et de l’abdomen à des fins d’aide au diagnostic.
En parallèle, nous avons montré qu’un même type de dispositif est capable de filmer à distance les mouvements basse fréquence induits à la surface du corps humain par la mise en vibration de celui-ci. A l’instar des méthodes d’élastographie transitoire développées au sein de l’Institut Langevin, il est ainsi possible de mesurer la dureté à la surface du corps humain pour détecter un objet rigide caché sous un vêtement ou sous la peau. Cet imageur, qui a donné lieu au dépôt d’un brevet, répond à un objectif de sécurité (contrôle des aéroports).

Mesure ultrasonore sans contact de la respiration d’un sujet placé à 1,50m de distance de la sonde.

  1. "Non contact ultrasound stethoscope", N. Jeger, M. Fink and R. K. Ing, J. Acoust. Soc. Am. 136, 2282 (2014).
  2. "Can human breathing be measured under true ecological conditions." M-C. Niérat, P. Laveneziana, B-P. Dubé, R. K. Ing, T. Similowski, ERS International Congress 2016, London, 3-7 September, 2016.
  3. "Non-contact and through-clothing measurement of the heart rate using ultrasound vibrocardiography", N. Jeger-Madiot, J. Gateau , M. Fink , R.-K. Ing, Medical Engineering and Physics 1–7 (2017) .

Imagerie dynamique de la langue : Une autre application originale de l’imagerie ultrasonore multi-éléments concerne le suivi des mouvements de la langue lors de l’élocution ou du chant. A cette fin, un prototype de casque multi-capteurs ultra léger (Hyper-Helmet) a été développé pour réaliser des enregistrements synchrones de signaux échographiques enregistrés pendant le langage parlé, silencieux ou le chant. L’un des objectifs serait de rendre la parole à des patients ayant subi une laryngectomie.

  1. A comparative study on the contour tracking algorithms in ultrasound tongue images with automatic reinitialization, Xu, K., T.G. Csapo, P. Roussel, and B. Denby, J. Acoust. Soc. Am. 139, EL154-EL160 (2016)
  2. 3D tongue motion visualization based on ultrasound image sequences, K. Xu, Y. Yang, A. Jaumard-Hakoun, M. Adda-Decker, A. Amelot, S. K. Al Kork, L. Crevier-Buchman, P. Chawah, G. Dreyfus, T. Fux, C. Pillot-Loiseau, P. Roussel, M. Stone, B. Denby, Interspeech2014 (2014).

Localisation de chauves souris en vol : Dans le contexte de la localisation de sources avec un nombre limité de capteurs, une collaboration avec le Museum d’Histoire Naturelle (ISYEB UMR 7205) a débuté en 2012. L’objectif était de localiser les chauves souris en plein vol grâce à leurs cris d’écholocation. A cette fin, nous avons développé une antenne à 4 microphones couplée à un logiciel d’analyse temps réel des signaux. Ce dispositif portable a été déployé à l’occasion d’une mission effectuée en 2013 en République Démocratique du Congo. Nous avons ainsi pu identifier une espèce particulièrement
menacée et emblématique, la chauve-souris panda, ainsi qu’une nouvelle espèce de Glauconycteris

Glauconycteris Superba récolté sur le site de Mbyie en République Démocratique du Congo.

  1. Multilocus phylogeny and species delimitation within the genus Glauconycteris (Chiroptera, Vespertilionidae), with the description of a new bat species from the Tshopo province of the Democratic Republic of the Congo. A. Hassanin, R. Colombo,G.-C. Gembu, M. Merle, V. Tu, T. Gorfol, P. Musaba Akawa, G. Csorba, T. Kearney, A. Monadjem, R. K. Ing, J Zool Syst Evol Res. 2017 ;1–22.
  2. Echolocation calls and flight behaviour of the elusive pied butterfly bat (Glauconycteris superba), and new data on its morphology and ecology, R. K. Ing, R. Colombo, G.-C. Gembu, Y. Bas, J.-F. Julien, Y. Gager and A. Hassanin, Acta Chiropterologica, 18(2) : 477–488, (2016).

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