Brevet FR2735966A1 — publié le 19970103

La présente invention concerne un procédé échographique nouveau et un dispositif de mise en oeuvre du procédé, notamment pour la reconstruction du coeur en trois dimensions. L'échographie habituelle donne une image bidimensionnelle d'un organe. La difficulté de la reconstruction du coeur en trois dimensions à partir d'images en deux dimensions est d'assembler des images d'une structure contractile et mobile dans l'espace (respiration), au travers d'un nombre limité de "fenêtres" acoustiques présentes entre les côtes. Plusieurs approches d'échographie en trois dimensions ont été tentées sans qu'aucune d'entre elles donne des résultats satisfaisants. WA ZOGHBI a récemment présenté un système permettant une bascule de la sonde échographique (tilting device). Dans ce procédé, la partie apicale du ventricule reste inaccessible. Mac CANN et GREENLEAF (Mayo Clinic) en 1986 ont utilisé une sonde montée sur un axe rotatoire. L'acquisition des images durait 5 minutes et la sélection des images était réalisée à posteriori par te médecin. La difficulté de reconstruction provenait de la sélection des images en fonction du temps respiratoire et du cycle cardiaque. La sonde "phased array" peut aussi être modifiée afin d'obtenir un faisceau ultrasonore de type pyramidal et non plus planaire (DUKE). La sonde est large et son faisceau est trop étroit au travers des côtes. De plus, la définition des images est faible (de l'ordre de 4 mm à une distance de 7 cm). La seule méthode qui a permis des études en pathologie clinique est la technique de MORITZ développée par l'équipe du Dr WEYMAN à BOSTON. La sonde est mamnipulée librement sur le thorax au cours d'une apnée et sa position dans l'espace est enregistrée sur l'image (temps réel) par un système de localisation acoustique. L'opérateur sélectionne ensuite les images, trace manuellement les contours et un algorithme de surface reconstitue les formes. Cette technique est limitée par la manipulation aléatoire de la sonde et par l'acquisition non systématisée et non automatisée des images 2D, nécessitant un opérateur particulièrement entraîné et un temps d'enregistrement long pendant lequel le patient ne respire pas. L'échographie transoesophagienne par la technique du déplacement linéaire dans l'oesophage donne des résultats inconstants. Un premier but de l'invention est donc de palier les inconvénients des techniques de l'art antérieur. Un autre but de l'invention est d'acquérir, par échographie, des images tridimensionnelles permettant une représentation et une animation à des fins de recherche et d'investigation clinique. Ces buts sont atteints par le procédé selon l'invention qui se caractérise en ce que l'on réalise une prise continue d'images bidimensionnelles de tout un cycle cardiaque dans des plans successifs déterminés par un automate qui gère la position et le mouvement d'une sonde échographique sous contrôle de l'électrocardiogramme (ECG) du patient, puis on reconstruit l'image tridimensionnelle cardiaque en utilisant les images des différents plans, images choisies au même temps (t) du cycle cardiaque. Selon une vanriante préférée mais non limitative du procédé, le mouvement de la sonde est choisi dans l'ensemble (rotation par incrément de valeur (x), inclinaisons successives, déplacements successifs) afin de balayer l'ensemble du volume cardiaque pendant une courte apnée. Selon une autre variante non limitative la reconstruction de l'image tridimensionnelle est réalisée à partir d'un paramètre supplémentaire qui est la respiration du patient. Un procédé selon l'invention comporte également au moins une des particulanrités suivantes: - utilisation d'une seule fenêtre acoustique. - utilisation d'un système référentiel relatif au patient, - une acquisition et mise en mémoire en temps réel de l'image bidimensionnelle couplée à l'cnsemble des paramètres, à savoir au moins (succession d'images bidimensionnelles, position de la sonde à chaque pnrise d'image, électrocardiogramme du patient), - traitement des données sous forme matricielle. En outre le paramètre définissant le mouvement de la sonde et le délai (D) entre la contraction du coeur et le changement de position de la sonde sont choisis par le médecin. L'invention porte en outre sur tous les dispositifs de mise en oeuvre du procédé et notamment sur un mode de réalisation préféré mais non limitatif qui consiste en un dispositif pour acquérir par échographie bidimensionnelle une représentation tridimensionnelle du coeur d'un patient, comportant en combinaison un électrocardiographe, un échographe avec une sonde échographique bidimensionnelle, caractérisé en ce qu'il comporte un automate pilotant les déplacements puis les immobilisations de la sonde, en fonction du signal (ECG) de l'électrocardiographe et commandant automatiquement les prises d'images tridimensionnelles par ladite sonde à chacune de ses immobilisations. En outre ce dispositif comporte: - un poste de combinaison recevant au moins les données suivantes (image bidimensionnelle, position de la sonde, signal ECG), - un poste de stockage enregistrant en temps réel les données transmises par le poste de combinaison, - un poste de digitalisation sous forme matnricielle, - un poste de travail pour la reconstruction du coeur en trois dimensions à un temps to du cycle cardiaque, - - un poste d'animation pour l'animation du coeur. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description qui suit faite en référence à la figure unique annexée qui est un schéma de pnrincipe d'une installation selon l'invention. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif représenté en figure unique, un dispositif selon l'invention comporte pnrincipalement: - une sonde échographique mécanique (1) ou électronique qui tourne sur son axe en fonction de la commande d'un automate (2). De préférence on choisit une sonde mécanique pour réaliser une meilleure insertion entre les côtes, une rotation non contrarine élargissant ainsi la fenêtre acoustique, - un automate (2) qui peut être constitué d'une pièce robotique comportant un double manchon: * un manchon externe qui sert de système référentiel externe solidarisé au patient, * un manchon interne fixant la sonde. Un moteur, par exemple un moteur pas à pas, entraîne une rotation du manchon interne par rapport au manchon externe d'un angle (x), - un système de pilotage électronique (3) pilotant le moteur pas à pas selon deux variables: * le délai (D) entre un point de référence sur l'ECG, par exemple le pic de l'onde (R) et le déclenchement du moteur, * l'angle de rotation (x) de chaque incrément. o0 Le médecin choisit l'angle (x), et le système de pilotage (3) déclenche le moteur qui fait tourner la sonde (1) très rapidement d'une valeur incrémentielle (x) à un temps du cycle cardiaque qui correspond à un délai (D) par rapport à une référence sur l'ECG par exemple l'onde (R). Le délai (D) est défini par le médecin. La même rotation rapide s'effectue pour le cycle cardiaque suivant et ainsi de suite jusqu'à balayage complet du volume cardiaque. L'ensemble des structures est ainsi balayé pendant une courte apnée; soit après degrés de rotation de la sonde. La localisation spatiale de la sonde est réduite à un facteur de rotation angulaire, l'axe de rotation étant maintenu fixe. - un échographe (4) permettant en continu la production et l'affichage des Images bidimensionnelles. Les images de sortie peuvent être prélevées par le signal vidéo ou par accès direct au traitement informatique interne de l'échographe. L'électrocardiogramme (ECG) et le système de pilotage peuvent être inclus dans l'échographe. - un poste de combinaison (5) recevant et combinant de façon synchrone les données suivantes: image bidimensionnelle venant de l'échographe, angle de la sonde (x) cenant de l'automate (2), signal (ECG), - un poste de stockage (6) avec une mémoire rapide de haute capacité enregistrant en temps réel les données transmises par le poste (5). La mémoire de forte capacité enregistre en continu l'image vidéo pendant la saisie (courte apnée de 10 à 30 secondes). On signale que les postes (5 et 6) peuvent être intégrés à l'écographe (4) en utilisant ses entrées auxiliaires, ce qui permet d'intégrer les données directement sur l'image de l'écographe; ceci de façon synchrone. - un poste de digitalisation qui range les images en fonction des paramètres qui lui sont associés améliorant ainsi la traçabilité des images en fonction des paramètres désirés. Sous forme matricielle par exemple, les images sont rangées en fonction du temps (t) du cycle cardiaque et de la position (x) de la sonde, dans le cas d'une acquisition en apnée o le paramètre respiratoire est fixe. Cette digitalisation et ce rangement peuvent être réalisés en temps réel, en même temps que la combinaison avant le stockage. - un poste de travail (8) à programme spécifique pour le traitement d'une 1 0 image et la reconstruction du coeur en trois dimensions à un temps (t) du cycle cardiaque. On obtient ainsi les contours de la structure et on peut en mesurer les volumes. Le coeur peut être représenté avec l'ensemble des données recueillies (temps t, base voxel) ou se servir de contours et d'images de synthèse, - un poste d'animation (9) pour l'animation du coeur en trois dimensions 1 5 grâce à la base de données d'image sous forme matricielle. De plus la disposition des images en deux dimensions sous forme matnricielle permet une extrapolation des images éventuellement défectueuses par celles qui leur sont voisines dans le temps et dans l'espace. Ce poste d'animation doit permettre à la fois une visualisation des structures-en 3D et une analyse quantitative des volumes et des déplacements de structure. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne selon le procédé d'acquisition échographique selon l'invention qui comporte les étapes suivantes: Acquisition pendant une courte apnée d'une image bidimensionnelle: évite un bougé du coeur dans le thorax pendant la prise d'images. - Utilisation d'une seule fenêtre acoustique: voie choisie comme ayant la meilleure échogénicité chez chaque patient, évite la perte de temps qu'il y aurait à rechercher plusieurs fenêtres. - Utilisation d'un système référentiel relatif au patient: évite un système de reconstruction en cas de bouger du patient. -Une rotation de la sonde, pilotée en fonction de l'ECG. La sonde est entraînée d'un angle (x) très rapidement pour se repositionner pour chaque début du cycle cardiaque. Elle effectue ainsi une rotation totale de 180 par incréments successifs (d'angle x) et balaie donc l'ensemble du volume cardiaque pendant une courte apnée. La localisation spatiale de la sonde est réduite à un facteur de rotation angulaire; l'axe étant maintenu fixe. Le but de ce pilotage est de réaliser des images échographiques par une sonde immobile pendant la majeure partie du cycle cardiaque, et obtenir tout le volume cardiaque par rotation. - Une acquisition et mise en mémoire en temps réel de l'image bidimensionnelle couplée à la position de la sonde et au signal ECG, - Un traitement des données sous forme matricielle. Chaque image est classée selon deux vanriables: la position de l'image dans l'espace et le temps du cycle cardiaque. La disposition des images 2D sous forme matricielle permet si nécessaire une extrapolation des images défectueuses par celles qui leur sont voisines dans le temps et dans l'espace. - Une reconstruction en 3D dans l'espace du coeur à un moment du cycle cardiaque (ECG gating) avec contours et mesures de volumes, représentation de la masse de données en base voxel, ou présentation de contours et surfaces des svn thèses. -Une animation do coeur en trois dimensions, une reconstruction 3D est réalisée pour tous les temps du cycle cardiaque. Des variantes d'utilisation ou de mode de réalisation sont possibles et notamment: - la sonde peut être de type électronique, - le procédé fait par voie transthoracique peut être appliqué par voie transoesophagienne en utilisant une sonde dite transoesophagienne dont le transducteur peut tourner sur son axe, - la méthode de rotation guidée par l'électrocardiogramme peut être appliquée pour tout autre mouvement de sonde: inclinaison ou déplacement. Dans ce cas l'entrée (x) du poste (5) de la figure est remplacée par un autre paramètre, - si une apnée ne peut être obtenue, une quatrième variable (la respiration) est ajoutée au bloc de données (image + ECG + position). Le poste (5) comporte alors quatre variables d'entrée, les images sont toutes sélectionnées au même temps du cycle respiratoire pour permettre la reconstruction. - sonde mécanique transthoracique dont le transducteur pourra tourner selon l'axe de la sonde sans avoir à faire tourner la sonde, - sonde transoesophagienne de type multiplan dont la rotation sera asservie à l'électrocardiogramme. - l'acquisition des images et le déplacement de la sonde peuvent être sous contrôle d'un capteur de respiration. La prise d'image et la rotation ne seraient déclenchées qu'en fonction d'un ou plusieurs stades de la respiration, - le poste (8) et (9) peuvent être intégrés dans une même machine. Les avantages de l'invention sont notamment les suivants: - l'acquisition des données est optimisée par son automatisation et son asservissement au cycle cardiaque par l 'intermédiaire de l'électrocardiogramme, - temps d'acquisition court, - confort pour le malade, - fiabilité, - utilisation possible pour l'échographie tridimensionnelle d'autres organes: foie, etc... - le système référentiel autorise un bouger du patient au cours de l'acquisition sans modifier les coordonnées spatiales de la sonde et évite la perte de temps qu'il y aurait à rechercher plusieurs fenêtres pendant l'acquisition, - le médecin décide du départ de l'acquisition ordonnant une apnée, et de variables pour réaliser le pilotage: le délai entre un repère (ECG) et le repositionnement de la sonde, et la valeur angulaire de l'incrémentation, - la sonde tourne pendant une phase peu changeante de la contraction cardiaque, 2 5 par exemple en fin de diastole. - cet équipement de commande de la sonde et de traitement informatique des données peut être très facilement intégré dans un échographe, - cet équipement permet des examens de grande importance, telle la quantification de la fonction ventnriculaire gauche, au cabinet du cardiologue, - coût de l'appareillage modique comparé aux autres examens scannographiques ou de médecine nucléaire. REVENDICATIONS 1. Procédé pour acquérir par échographie bidimensionnelle une représentation tridimensionnelle du coeur (10) d'un patient, caractérisé en ce que l'on réalise une pnrise continue d'images bidimensionnelles de tout un cycle cardiaque dans des plans successifs déterminés par un automate qui gère la position et le mouvement d'une sonde échographique sous contrôle de l'électrocardiogramme (ECG) du patient, puis on reconstruit l'image tridimensionnelle cardiaque en utilisant les images des différents plans, images choisies au même temps (t) du cycle cardiaque. 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le mouvement de la sonde est choisi dans l'ensemble (rotation par incrément de valeur (x), inclinaisons successives, déplacements successifs) afin de balayer l'ensemble du volume cardiaque pendant une courte apnee. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la reconstruction de l'image tridimensionnelle est réalisée à partir d'un paramètre supplémentaire qui est la respiration du patient. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'utilisation d'une seule fenêtre acoustique. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une utilisation d'un système référentiel relatif au patient. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une acquisition et mise en mémoire en temps réel de l'image bidimensionnelle couplée à l'ensemble des paramètres, à savoir au moins (succession d'images bidimensionnelles, position de la sonde à chaque prise d'image, électrocardiogramme du patient). 7. Procédé selon l'une des revendication 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte en 2 5 outre un traitement des données sous forme matnricielle. 8. Procédé selon l'une des revendications I à 7 caractérisé en ce que le paramètre définissant le mouvement de la sonde et le délai (D) entre le repère ECG et le changement de position de la sonde sont choisis par le médecin. 9. Dispositif pour acquérir par échographie bidimensionnelle une représentation tridimensionnelle du coeur d'un patient, comportant en combinaison un électrocardiographe, un échographe avec une sonde échographique bidimensionnelle, caractérisé en ce qu'il comporte un automate pilotant les déplacements puis les immobilisations de la sonde, en fonction du signal (ECG) de l'électrocardiographe et commandant automatiquement les prises d'images bidimensionnelles par ladite sonde à chacune de ses immobilisations. 10. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - un poste de combinaison (5) recevant au moins les données suivantes (image bidimensionnelle, position de la sonde, signal ECG), - un poste de stockage (6) enregistrant en temps réel les données transmises par le poste de combinaison (5), - un poste de digitalisation sous forme matricielle (7), - un poste de travail (8) pour la reconstruction du coeur en trois dimensions à un temps to du cycle cardiaque, - un poste d'animation (9) pour l'animation du coeur. 1 1. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10 caractérisé en ce que la sonde est une sonde mécanique à bout rond. 1 2. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11 caractérisé en ce que l'automate (2) est constitué d'une pièce robotique à double manchon avec un manchon externe servant de système référentiel externe solidarisé au patient et un manchon interne fixant la sonde et caractérisé en ce qu'un moteur pas à pas entraîne en rotation le manchon interne par rapport au manchon externe d'un angle (x) et caractérisé en ce qu'un système électronique (3) de pilotage pilote le moteur pas à pas selon deux variables: - le délai (D) après un repère du signal (ECG), - l'angle de rotation (x) de chaque incrément.