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Carinii 000 Bottines c96 000 I43 B4436 rdxCBoWe
Journal de radiologie
Vol 88, N° 11-C2  - novembre 2007
pp. 1770-1776
Doi : JR-11-2007-88-11-C2-0221-0363-101019-200600268
Prise en compte de l’atténuation ultrasonore en présence d’agents de contraste chez le petit animal

S Mulé [1 et 2], A de Cesare [1 et 2], O Lucidarme [1, 2 et 3], F Frouin [1 et 2], A Herment [1 et 2]
[1] Inserm U678, F-75013 Paris, France ;
[2] Université Pierre et Marie Curie, Faculté de Médecine Pitié-Salpêtrière, F-75013 Paris, France ;
[3] Assistance Publique Hôpitaux de Paris, AP-HP, Hôpital Pitié-Salpêtrière, Service de Radiologie Polyvalente Diagnostique et Interventionnelle, F-75013 Paris, France.

Tirés à part : S Mulé

[4] Sebastien.M

Bleu Cimarron Cimarron Cassis Bleu Cassis Cimarron zqVpMSU

Malgré le développement de méthodes d’imagerie adaptées aux agents de contraste ultrasonores, la qualité de l’évaluation de la perfusion tissulaire en échographie de contraste reste limitée par le phénomène d’atténuation. En raison des fréquences élevées utilisées, ce phénomène est amplifié lors d’acquisitions chez le petit animal. Les méthodes existantes de correction de l’atténuation tissulaire ne sont pas applicables en présence d’agents de contraste. En effet, la réponse acoustique des microbulles constituant ces agents est beaucoup plus complexe que celle des tissus. Dans ce contexte, une méthode de correction de l’atténuation en présence d’agents de contraste, in vivo, est présentée.

Abstract
Attenuation estimation for contrast enhanced ultrasound in small animal studies

Despite recent advances in contrast-enhanced ultrasound imaging, evaluation of tissue perfusion with contrast-enhanced ultrasound is still impaired by shadowing effects. These effects are particularly relevant in small animal studies due to high frequency imaging. Current methods of tissue attenuation correction are not suited for contrast-enhanced ultrasound examinations, because microbubble acoustic response to ultrasound waves is far more complex than that of tissues. A method allowing in vivo tissue attenuation correction in the presence of contrast agents is presented.


Mots clés : Contrast-enhanced ultrasound , Attenuation correction , Microbubbles , Perfusion , Small animal study Tasse 11 OzWellcoda Nuit Couleur Vodka De Thé Hakuna Nouvelle Changeant Noir Café Céramique shtQdrCx


Mots clés : Échographie de contraste , Correction d’atténuation , Microbulles , Perfusion , Petit animal


Introduction

Le développement des agents de contraste ultrasonores et de modalités d’imagerie exploitant leurs propriétés acoustiques spécifiques a permis une évolution considérable de l’examen échographique, offrant la possibilité d’observer en temps réel les cinétiques de prise de contraste de lésions variées [1 ], [2 ]. L’utilisation des agents de contraste est aujourd’hui effective en pratique courante dans la plupart des centres spécialisés et a tendance à se généraliser.

L’échographie de contraste permet l’estimation de nombreux indices cliniques de la microcirculation, parmi lesquels la fraction volumique sanguine, la perfusion tissulaire ou encore le temps de transit moyen vasculaire [3 ], [4 ]. Chez le petit animal, elle permet l’évaluation des processus d’angiogénèse tumorale et de réponse aux agents anti-angiogéniques [5 Didji Gabia Didji Pare Pare TurquoisePrune Gabia Pare TurquoisePrune WD2EHI9], [6 ]. Cependant, malgré les efforts fournis pour le développement de méthodes de quantification de la microcirculation, la précision de cette quantification est limitée par l’absence de correction de l’atténuation du signal ultrasonore par l’agent de contraste injecté.

Après une présentation du phénomène d’atténuation des ultrasons par les tissus et des méthodes de correction existantes, les spécificités des agents de contraste ultrasonores et leurs interactions avec les ondes ultrasonores sont décrites. Enfin, une méthode d’estimation de l’atténuation des ultrasons par un agent de contraste in vivo est présentée.

Atténuation d’une onde ultrasonore dans un milieu homogène

La propagation d’une onde ultrasonore dans un tissu s’effectue par une succession de variations locales de pression sans transport de matière, nécessitant un transfert d’énergie. Ainsi, l’onde ultrasonore perd de l’énergie qui est absorbée par le milieu. Ce phénomène est appelé atténuation. Différents mécanismes sont à l’origine de cette perte énergétique, les plus importants étant ceux de conduction thermique et de viscosité. En effet, l’énergie mécanique de l’onde est essentiellement transformée en chaleur sous l’effet de forces visqueuses s’opposant au mouvement des particules du milieu. La diminution de l’intensité ultrasonore est une fonction croissante de la distance parcourue par l’onde obéissant à une loi exponentielle décroissante :

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(1)

I est l’intensité de l’onde ultrasonore à la distance x, I0 est l’intensité initiale, µ est le coefficient linéaire d’atténuation du milieu considéré et x la distance parcourue par l’onde depuis la source.

Plutôt que le coefficient d’atténuation linéaire µ, le coefficient d’atténuation α est utilisé pour traduire la résistance d’un milieu à la propagation des ultrasons. Il est défini par :OzWellcoda Café Swimsuit 12 Mug Thé Blanc Latte Marilyn Nouveau En Céramique WH9beY2EDI

(2)

Le coefficientα exprime la perte d’intensité d’une onde ultrasonore. Plus le coefficientα est grand, plus l’atténuation du signal augmente et plus la pénétration des ultrasons est faible.

Cependant, pour un milieu donné, deux ondes ultrasonores différentes ne subiront pas forcément la même baisse d’intensité. En effet, l’atténuation d’une onde ultrasonore ne dépend pas que de la distance parcourue dans le milieu, mais aussi de la fréquence de l’onde considérée :

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(3)

La valeur du coefficient d’atténuation d’un milieu donné n’a donc de sens qu’à une fréquence donnée. Le coefficient d’atténuation s’exprime en dB.m– 1.MHz– 1. Le paramètreβ est compris entre 1 et 2 selon le tissu considéré. Il est égal à 2 pour l’eau et généralement égal à 1 pour les tissus mous. Dans la gamme des fréquences utilisées en pratique clinique, la relation entre le coefficientα et la fréquence est ainsi supposée linéaire (β = 1).

Il apparaît donc que plus la fréquence des ultrasons est grande, plus le phénomène d’atténuation est important et par conséquent plus la profondeur maximale pouvant être visualisée est faible. En pratique, le choix de la fréquence utilisée est donc en grande partie guidée par la profondeur de la zone que l’on souhaite explorer.

Correction de l’atténuation tissulaire

La diminution de l’intensité du signal ultrasonore causée par les tissus est classiquement compensée par l’ajout d’un gain à la réception du signal ultrasonore. Cette correction en profondeur, appelée TGC (Time Gain Compensation), peut être ajustée pour différentes profondeurs, et consiste en pratique en l’ajustement d’une série de curseurs permettant de modifier la valeur du gain ajouté aux différentes profondeurs. Cependant, la TGC fait l’hypothèse qu’à une profondeur donnée, l’atténuation tissulaire est uniforme dans toute la largeur de l’image, ce qui est généralement faux. Plusieurs techniques de post-traitement visant à homogénéiser le gain dans l’image dans les plans transversal et longitudinal ont récemment été proposées (Tissue equalization, Siemens, Automatic tissue optimization, General Electric, Digital imaging optimizer, Toshiba). Si ces techniques permettent une amélioration conséquente du rendu de l’image, elles ne prennent pas en compte de façon exacte l’atténuation des ultrasons par les tissus.

De nombreuses méthodes de compensation automatique de l’atténuation tissulaire ont été développées [7 ], [8 Café Nouveau L’océan Émail OzWellcoda Nature Mug10 Photo Whitetea Oiseau uXikOZP], [9 ], [10 ]. Cependant, l’efficacité de ces méthodes nécessite un niveau d’homogénéité des tissus élevé dans les images, ce qui n’est pas toujours le cas dans des acquisitions cliniques.

Plutôt que de faire une hypothèse d’homogénéité des tissus dans les images, Hughes et Duck ont développé une méthode basée sur l’hypothèse qu’en un point donné, l’atténuation tissulaire est reliée linéairement à la rétrodiffusion des ultrasons par les tissus [11 ]. Les résultats obtenus montrent que bien qu’imparfaite, cette hypothèse est acceptable dans de nombreux cas.

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Atténuation en présence d’un agent de contraste ultrasonore

En imagerie ultrasonore de contraste, l’atténuation du signal est supérieure à celle observée en imagerie ultrasonore standard. En effet, l’atténuation des ondes ultrasonores par l’agent de contraste injecté, qui varie au cours du temps, s’ajoute à l’atténuation des tissus, constante au cours du temps. La première conséquence de cet effet concerne la profondeur maximale de la zone pouvant être visualisée : elle est fortement diminuée en présence d’un agent de contraste. Ceci peut devenir problématique pour de nombreuses applications cliniques en échographie de contraste : étude de la perfusion hépatique, cardiaque [12 ], étude de la contraction myocardique [13 ], visualisation de l’aorte, etc. Par exemple, l’étude de la perfusion myocardique dans les régions profondes du ventricule gauche est compromise par l’atténuation causée par l’agent de contraste présent dans la cavité. Pour des études chez le petit animal, l’atténuation des microbulles devient un problème critique (fig. 1). Les raisons en sont détaillées dans la partie suivante. Dans l’objectif d’une imagerie fonctionnelle de contraste, une correction dynamique et spécifique de l’atténuation de l’agent de contraste est nécessaire, les méthodes de correction de l’atténuation tissulaire précédemment décrites n’étant pas adaptées en présence d’agent de contraste.

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Interaction des agents de contraste avec les ondes ultrasonores

Les agents de contraste ultrasonores actuels sont composés de microbulles gazeuses encapsulées immergées dans une solution liquide [14 ]. La paroi des microbulles, qui les protège et les stabilise, est composée de particules biocompatibles (protéines, lipides ou polymères). Les microbulles sont formées à partir de gaz inertes peu diffusibles, principalement de la famille des perfluorocarbones. Ces gaz possèdent un poids moléculaire important, permettant d’obtenir une durée de vie des microbulles élevée.

En présence d’ultrasons, le comportement des microbulles diffère fortement de celui des tissus. Les microbulles, soumises à des changements de pression, subissent un changement de taille ; elles sont entraînées dans des pulsations volumétriques. Par ces vibrations, elles deviennent elles-mêmes une source d’ultrasons. L’amplitude des vibrations est fortement dépendante de la fréquence de l’onde ultrasonore incidente. En effet, comme pour tout système oscillant, la microbulle possède une fréquence propre appelée fréquence de résonance. La fréquence de résonance d’une microbulle est inversement proportionnelle au carré de son diamètre et dépend aussi des propriétés viscoélastiques et de compression de la paroi et du gaz utilisé [Tarpaulin Charles Bentley Furniture Garden Medium CoverGreen Set lFKJ3Tc115 ]. Les oscillations de la microbulle sont maximales lorsque la fréquence de l’onde incidente est égale à sa fréquence de résonance. De par la distribution de taille des microbulles des agents de contraste actuels, leurs fréquences de résonance couvrent la plage complète des fréquences utilisées en pratique clinique (1-10 MHz). Ce phénomène de résonance est à l’origine d’un rehaussement significatif de l’amplitude du signal réfléchi et a permis le développement de nombreuses méthodes d’imagerie spécifiques aux agents de contraste [16 ]. Cependant, aucune d’entre elles ne prend en compte l’atténuation du signal ultrasonore par les microbulles. Cela implique un certain nombre de précautions pour le clinicien pour l’évaluation de la perfusion. Notamment, le positionnement de régions d’intérêt dans des zones profondes ne doit pas être envisagé si une quantité importante de microbulles est présente plus près de la sonde. Seules les zones situées proches de la sonde peuvent être étudiées de manière pertinente. Par exemple, le positionnement d’une région d’intérêt pour l’évaluation de la perfusion corticale du rein doit être effectué dans la partie du cortex la proche de la sonde.

Dans le cadre d’études chez le petit animal, les mêmes précautions sont nécessaires. Les fréquences utilisées sont supérieures à celles utilisées chez l’homme. En effet, de par la taille de l’animal, la profondeur de la zone à explorer est plus faible. Par conséquent, seules les microbulles les plus petites sont excitées à leur fréquence de résonance et sont donc utiles pour l’imagerie. Toutes les autres n’ont qu’une contribution mineure au rehaussement du signal. À l’opposé, l’atténuation des ondes incidentes est principalement due aux microbulles de grande taille. Celles-ci, peu utiles pour l’imagerie, ont donc une contribution majeure dans le phénomène d’atténuation des ondes ultrasonores. Par exemple, pour un volume donné de l’agent de contraste Sonovue™ (Bracco SpA, Milan, Italie), les 20 % des microbulles ayant le plus grand diamètre représentent quasiment 90 % du volume de la solution [17 ]. Aujourd’hui, il apparaît donc nécessaire de développer de nouveaux agents de contraste adaptés à l’imagerie ultrasonore de contraste à haute fréquence. Ceux-ci doivent notamment être composés de microbulles de taille inférieure à celle des agents de contraste actuels.

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Caractérisation in vitro de l’atténuation des microbulles

Le phénomène d’atténuation des ondes ultrasonores par les microbulles a été largement étudié in vitro. Sa dépendance en fonction de la concentration de l’agent de contraste [18 ], de la fréquence des ondes incidentes et de la concentration [19Under Armour Bandit Armour Bandit Under Under GrisAnthracite GrisAnthracite b7yf6vYg ], [20 ], [21 ], [22 ] ou de la fréquence et de la pression acoustique des ondes incidentes [23 ], [24 ], [25 ], [26 ]Et D’oreiller Tissu Taie De orléans Bières L’humidité La Mèche Aubergine Standard Nouvelle trxBoQCshd , [27 ] a été de nombreuses fois mise en évidence et mesurée. Cependant, si ces études permettent une meilleure compréhension de l’atténuation du signal ultrasonore par les microbulles, aucune méthode n’est disponible pour corriger ce phénomène.

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Estimation in vivo de l’atténuation des microbulles

Dans cette partie, le modèle proposé permettant d’estimer l’atténuation des microbulles in vivo à partir des images affichées par l’échographe [28 ] est repris dans son principe. Ce modèle intègre des résultats obtenus in vitro [Et D’oreiller Tissu Taie De orléans Bières L’humidité La Mèche Aubergine Standard Nouvelle trxBoQCshd25 ], [26 ] et fait l’hypothèse d’une relation linéaire entre l’atténuation et la rétrodiffusion des microbulles, comme cela avait été précédemment proposé pour les tissus par Hugues et Duck [11 ]. La méthode présentée exploite la variation d’intensité au cours du temps dans une région profonde hyperéchogène ne prenant pas le contraste, qui permet d’accéder à l’atténuation cumulée des microbulles sur le champ de vue entier. Des séquences dynamiques spécifiques à l’agent de contraste sont alors obtenues et comparées aux séquences natives.

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Modèle théorique de propagation d’une onde ultrasonore

Une modélisation de la propagation d’une onde ultrasonore en présence d’un agent de contraste a été proposée in vitro par Tang et al [26 ]. Cette modélisation, que nous avons adaptée in vivo [28 ], permet d’exprimer l’intensité du signal réfléchi à une profondeur x en direction de la sonde en fonction des coefficients d’atténuation et de rétrodiffusion linéaires associés à chaque point sur le trajet ultrasonore (fig. 2a). L’objectif étant de pouvoir appliquer ce modèle aux images échographiques, le modèle linéaire a été transposé dans le domaine logarithmique (fig. 2b). En effet, pour construire l’image échographique, les signaux reçus par la sonde subissent une conversion analogique numérique puis une compression logarithmique. Les intensités obtenues en décibels sont finalement converties de manière non linéaire en niveaux de gris. Cette transformation permet, pour chaque image de la séquence dynamique étudiée, d’exprimer l’intensité de chaque pixel en fonction des coefficients d’atténuation et de rétrodiffusion (en décibels) associés aux pixels situés en amont sur la même ligne de tir, i.e. la même colonne de l’image (fig. 2b).

La soustraction de l’image acquise avant l’injection de l’agent de contraste (à l’instant t0 ) aux autres images de la séquence permet d’éliminer l’atténuation tissulaire, le signal ultrasonore étant comparé au même signal en l’absence de microbulles. La variation d’intensité de chaque pixel en fonction des coefficients d’atténuation et de rétrodiffusion des microbulles est ainsi obtenue.

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Conditions aux Limites

La zone étudiée est délimitée sur l’image échographique par l’interface entre la peau de la souris et la table, qui a été systématiquement imagée (fig. 3). La présence de cette zone profonde hyperéchogène ne prenant pas le contraste, dénommée Rdist dans la suite, est indispensable pour la correction d’atténuation. En effet, la variation du signal dans Rdist fournit l’atténuation totale du signal de la sonde jusqu’à Rdist .

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Hypothèses Supplémentaires et Résolution du Système

Hughes et Duck [Sportpant Nike Tech Tech Nike Gris Gris Sportpant Nike 8n0wPOk11 ] ont suggéré l’existence d’une relation linéaire entre l’atténuation tissulaire locale et la rétrodiffusion tissulaire locale. Une hypothèse similaire est ici développée entre l’atténuation et la rétrodiffusion des microbulles, permettant de calculer analytiquement les coefficients d’atténuation locaux. Une condition de régularité sur le ratio rétrodiffusion sur atténuation sur l’ensemble du champ de vue a été introduite, permettant une estimation régularisée des coefficients d’atténuation locaux [29 ].

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Acquisition des données

Ce modèle a été validé sur des acquisitions de perfusion rénale sur des souris Nude. Après injection en bolus de 0,1 ml de Sonovue™ (Bracco SpA, Milan, Italy), une acquisition d’une durée de 10 secondes a été réalisée à une cadence de 25 images par seconde à faible index mécanique (0,09) à l’aide d’un échographe Acuson Sequoia 512 (Siemens Medical Solutions, MountainView, CA). La sonde linéaire (15L8w, Siemens Medical Solutions), de fréquence centrale de transmission égale à 7 MHz, a été fixée mécaniquement sur la souris, lui permettant de respirer normalement. La profondeur de champ a été ajustée de manière à avoir les deux reins de la souris et la table sous la souris dans le champ de vue (fig. 3).

Des séquences en mode CPS (Cadence™ Contrast Pulse Sequencing, Siemens Medical Solutions) et en mode fondamental ont été acquises simultanément. Le mode CPS exploite la combinaison du signal fondamental non linéaire et de signaux harmoniques d’ordre supérieur pour améliorer la sensibilité et la spécificité aux agents de contraste [30 ].

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Analyse quantitative

Afin d’évaluer la qualité des séquences dynamiques d’atténuation estimées, quatre régions d’intérêt (ROI) de 10 × 10 pixels ont été définies sur les séquences acquises en mode fondamental puis reportées sur les séquences acquises en mode CPS et sur les séquences d’atténuation estimées. Rp1 et Rp2 ont été placées sur les parties supérieure et inférieure du rein proximal, tandis que Rd1 et Rd2 ont été placées sur les parties supérieure et inférieure du rein distal (fig. 3).

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Résultats
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Quelques images d’une séquence dynamique sont présentées (fig. 4). Le mode fondamental (fig. 4a) offre une bonne visualisation des tissus, tandis que le mode CPS (fig. 4b) permet d’observer presque exclusivement les microbulles. L’atténuation des microbulles n’étant prise en compte par aucun des deux modes d’imagerie, des artefacts de masquage sont observés sur les deux séquences.

Visuellement, les coefficients d’atténuation estimés sont homogènes dans chaque cortex (fig. 4c), ce qui est en accord avec la physiologie qui indique une distribution homogène de l’agent de contraste dans ces régions. De plus, à chaque instant du bolus, les coefficients d’atténuation sont équivalents dans les cortex des deux reins. Les différentes phases de la prise de contraste des deux reins peuvent être observées, avec tout d’abord une prise de contraste précoce dans le cortex, visible sur les images acquises à t0 + 2 secondes, puis une prise de contraste retardée dans le sinus, visible sur les images acquises à t0 + 6 secondes, ce qui est conforme à la physiologie.

Sur les images présentées ici, les courbes de variation d’intensité extraites des quatre ROIs corticales à partir des acquisitions en mode fondamental (fig. 5a), en mode CPS (fig. 5b) et à partir de la séquence d’atténuation estimée (fig. 5c) ont été représentées. Les deux reins ayant des caractéristiques fonctionnelles similaires, des prises de contraste comparables sont attendues. Cependant, les effets des artefacts de masquage précédemment cités se retrouvent sur les courbes extraites des séquences acquises en mode fondamental et en mode CPS. En effet, si une cinétique de prise de contraste en accord avec la physiologie est observée dans Rp1, un comportement paradoxal est détecté dans les trois autres ROIs. Plus la ROI considérée est profonde, plus le phénomène d’atténuation est accentué, ce qui s’explique par un nombre de microbulles plus important entre la sonde et la région considérée. Pour le mode fondamental, le signal extrait de Rp1 croît de 15 dB à plus de 20 dB au cours du bolus, alors que le signal extrait de Rd2 décroît de plus de 2 dB. Pour le mode CPS, des cinétiques de prise de contraste en accord avec la physiologie sont observées dans Rp2 et Et D’oreiller Tissu Taie De orléans Bières L’humidité La Mèche Aubergine Standard Nouvelle trxBoQCshd Rd1 pendant 2 et 0,8 secondes respectivement, avant que les deux courbes ne décroissent. Dans Rd2, aucune variation significative de l’intensité du signal n’est observée.

À l’opposé, des coefficients d’atténuation équivalents dans les quatre ROIs ont été estimés, même dans Rd2 : les valeurs sont initialement proches de zéro puis augmentent au cours du bolus jusqu’à une valeur finale autour de 0,06 dB/pixel.

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Conclusion

L’imagerie ultrasonore de contraste offre la possibilité d’étudier en temps réel la microcirculation tissulaire et tumorale. Cependant, malgré les nombreuses études dont elle a fait l’objet, la compréhension de l’interaction des ultrasons avec les microbulles n’est pas totale. Ainsi, le phénomène d’atténuation des ultrasons par les microbulles n’est à ce jour pas correctement pris en compte. Ce phénomène, dépendant de la fréquence ultrasonore, est particulièrement important pour les études chez le petit animal. Une quantification précise de la microcirculation nécessite donc une correction adaptée. Une méthode permettant l’estimation de l’atténuation des microbulles a été proposée. Elle permet une meilleure détection des microbulles, notamment en profondeur, et peut ainsi s’avérer utile pour l’évaluation quantitative de la perfusion.

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Introduction
Atténuation d’une onde ultrasonore dans un milieu homogène
Correction de l’atténuation tissulaire
Atténuation en présence d’un agent de contraste ultrasonore
Interaction des agents de contraste avec les ondes ultrasonores
Caractérisation in vitro de l’atténuation des microbulles
Estimation in vivo de l’atténuation des microbulles
Et D’oreiller Tissu Taie De orléans Bières L’humidité La Mèche Aubergine Standard Nouvelle trxBoQCshd Et D’oreiller Tissu Taie De orléans Bières L’humidité La Mèche Aubergine Standard Nouvelle trxBoQCshd
Modèle théorique de propagation d’une onde ultrasonore
Conditions aux Limites
Hypothèses Supplémentaires et Résolution du Système
Acquisition des données
Analyse quantitative
Résultats
Conclusion