Principes et genèse de l’élastographie transitoire et du Supersonic Shear Imaging

L’ imagerie ultrarapide pour suivre les ondes de cisaillement

Entre 1998 et 2005, nous avons aussi mis au point une nouvelle technique d’imagerie d’élasticité des tissus humains. Cette technique, appelée élastographie transitoire, est basée sur le couplage d’un prototype d’imagerie échographique ultrarapide unique au monde (capable d’atteindre des cadences échographiques supérieures à 5000 images par seconde) et d’une vibration basse fréquence appliquée à la surface du corps. Elle permet d’imager avec une résolution millimétrique le module d’Young des tissus, paramètre particulièrement intéressant, puisqu’il caractérise la dureté des tissus. On sait en effet que ce paramètre peut être caractéristique de l’état pathologique des tissus. Ainsi, des études ont montré qu’un carcinome pouvait être jusqu’à trente fois plus dur que les tissus sains environnants. Les médecins cherchent à estimer ce paramètre, puisque c’est précisément ce module d’Young des tissus qu’ils essaient d’estimer lorsqu’ils palpent un sein. Cette technique de palpation reste toutefois subjective et difficile à appliquer pour les tumeurs de petites tailles ou situées en profondeur dans les tissus.

Notre but était donc de mettre un système de « palpation quantitative » capable de produire des images 2D et bientôt 3D de l’élasticité des tissus. Le premier système d’imagerie consista une barrette de transducteurs piezo-électriques classiquement utilisée en échographique montée sur un vibreur basse fréquence, Fig. 1a. Par l’intermédiaire du vibreur, la face avant de la barrette échographique génère une vibration transitoire basse fréquence ( 50 Hz) à la surface du corps. Ce coup quasi-imperceptible engendre la propagation d’une onde de cisaillement basse fréquence en profondeurs dans les tissus. Cette onde se propage à quelques m/s dans les tissus (beaucoup plus lentement que les ultrasons) et sa vitesse locale est directement reliée au module d’Young, i.e. à la dureté, des tissus. Ainsi, imager la propagation de cette onde « sismique » de cisaillement dans les tissus nous permet de mesure localement le module d’Young des tissus, Fig. 1d. Les déplacements des tissus engendrés par la propagation de cette onde basse fréquence sont mesurés en acquérant à une cadence très rapide des images échographiques de l’organe. La comparaison deux à deux d’images échographiques successives permet par des techniques de corrélation classiques de remonter aux mouvements locaux des tissus lors du passage de la sollicitation mécanique.

Vidéo 1 : Détection du déplacement lié au passage d’une onde de cisaillement par échographie ultrarapide.

Ce projet a abouti après plusieurs années de recherche à une première campagne in vivo de détection de tumeurs du sein à l’aide de ce nouveau système d’imagerie en collaboration avec l’Institut Curie (Juin 2001). Les résultats obtenus on été extrêmement encourageants [1]. L’acquisition des données permettant de produire une image bidimensionnelle de l’élasticité des tissus est réalisée en un temps total d’un vingtaine de millisecondes. Ce temps très court rend notre système d’imagerie insensible à des mouvements du patient, problème inhérent aux techniques de mesure d’élasticité par IRM.

Fig. 1 : Système d’imagerie par élastographie transitoire. a,b) Une barrette échographique classique est montée sur un vibreur basse fréquence. c) Image échographique obtenue sur une patiente présentant un carcinome d’environ 1 cm de diamètre visible à l’échographie. d) Image quantitative du module de cisaillement dans la zone définie en pointillés jaunes. L’échelle varie de 0 à 80 kPa.

Le Supersonic Shear Imaging

Comparée à la première technique d’imagerie d’élasticité 2D utilisée lors des tests cliniques à l’institut Curie en Juin 2001, nous avons apporté dans le cadre de la thèse de Jérémy Bercoff une modification essentielle et extrêmement novatrice, qui rend le procédé à la fois plus compact, plus précis et donne accès aussi au temps de relaxation des tissus. En effet, au lieu d’utiliser des vibreurs externes en contact avec le corps du patient pour générer les ondes de cisaillement, il est possible de créer à distance, au sein des tissus, une source d’ondes de cisaillement de forme quelconque à l’aide d’un faisceau ultrasonore focalisé [2] durant quelques centaines de µs qui pousse les tissus de quelques dizaines de microns [3,4] pendant l’insonification. Ce phénomène est lié à la pression de radiation des ultrasons et il peut être engendré à l’aide du même réseau de transducteurs que celui d’imagerie ultrarapide. Ainsi, on peut utiliser la même barette échographique conventionnelle à la fois pour faire vibrer à distance les tissus et imager à cadence ultrarapide les mouvements des tissus. On donne de plus la possibilité au médecin de palper « virtuellement » les tissus exactement à l’endroit désiré en déplaçant à volonté le faisceau ultrasonore. En créant plusieurs sources de cisaillement simultanément à des endroits différents, nous avons montré qu’il était possible de créer, par exemple, une source de cisaillement se déplaçant à vitesse supersonique, Fig. 2. Cette source de cisaillement supersonique engendre deux ondes planes se propageant au sein des organes. Nous avons ainsi recréé pour les ondes de cisaillement élastiques dans les organes l’analogue du bang sonique créé dans l’air par un avion supersonique [2].

Vidéo 2 : Principe du Supersonic Shear Imaging.

Les avantages économiques d’un tel système couplant imagerie échographique ultrarapide et palpation ultrasonore à distance, technique que nous avons appelée Supersonic Shear Imaging (S.S.I.) [2], sont extrêmement importants :

  • Tout en possédant toutes les fonctionnalités d’un échographe classique, ce système donne accès à l’imagerie de deux paramètres mécaniques extrêmement importants du corps humain : le module d’Young et le temps de relaxation de cisaillement des tissus. Cette technique se positionne comme une extension des capacités de diagnostic des échographes et n’impose aucune modification protocolaire au médecin lors de son examen clinique. Elle nécessite cependant une souplesse technologique aujourd’hui inexistante sur les échographes commerciaux et ne peut s’envisager que sur des prototypes échographiques spécialement conçus pour sa mise en oeuvre.
  • Le domaine d’application de cette invention est vaste. Ce système échographique ultrarapide pourrait permettre en hôpital, clinique ou cabinet de radiologie d’imager les propriétés visco-élastiques du sein, du foie, du cerveau, … et ainsi apporter une aide lors du dépistage ou du diagnostic de certaines pathologies (Cancer, hépatites C, Cirrhoses,…). Dans le cadre du diagnostic du cancer du sein, il devrait permettre, en complémentarité avec la mammographie et l’échographie, d’affiner le diagnostic. Dans le cadre des pathologies du foie, il pourrait apporter une indication quantitative du degré de fibrose du foie.
  • Ce système est basé sur la technologie des ultrasons, est donc de faible coût en comparaison avec l’imagerie d’élasticité par IRM [5]. Sa taille correspondant à celle d’un échographe standard en fait de plus un système d’imagerie ambulatoire pouvant être utilisé tant en pré qu’en post-opératoire, voire même déplacé jusqu’à la chambre du patient.

Une start-up, Supersonic Imagine (Aix en Provence, France) a été créée en Mai 2005 pour valoriser cette nouvelle approche d’imagerie initialement dans le cadre du diagnostic du cancer du sein.

Figure 3. Evolution des différents prototypes de recherche jusqu’à l’échographe Aixplorer utilisant cette technologie et aujourd’hui commercialisé par Supersonic Imagine.


1 J. Bercoff, S. Chaffai, M. Tanter, L. Sandrin, S. Catheline, M. Fink, J.-L. Gennisson, M. Meunier. “In Vivo breast tumors detection using transient elastography” Ultrasound in Medicine and Biology. Vol. 29 (10), pp. 1387-1296, 2003.

2 J. Bercoff, M. Tanter and M. Fink, “Supersonic shear imaging : a new technique for soft tissue elasticity mapping”. IEEE Ultras. Ferro. Freq. contr., Vol. 51(4), pp. 396-409, 2004.

3 A.P. Sarvazyan, O.V. Rudenko, S.D. Swanson, J.B. Fowlkes, and S.Y. Emelianov, "Shear wave elasticity imaging - a new ultrasonic technology of medical diagnostic," Ultrasound in Medicine and Biology, Vol. 20, pp. 1419-1436, 1998.

4 K. Nightingale, M. Scott Soo, R. Nightingale and G. Trahey, “Acoustic radiation force impulse imaging : in vivo demonstration of clinical feasibility”, Ultrasound in Medicine and Biology, Vol. 28, pp. 227-235, 2002.

5 R. Sinkus, M. Tanter, S. Catheline, J. Lorenzen, C. Kuhl, E. Sondermann, M. Fink. “Imaging anisotropic and vsicous properties of breast tissue by Magnetic Resonance-Elastography”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 53, pp. 372-387, 2005.

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