Imagerie super-résolution des milieux complexes par des approches Bayésiennes

Super-resolution imaging of complex media with Bayesian approaches

Lieu / site : Institut des Sciences de la Terre, Université Joseph Fourier – GRENOBLE
Durée / duration : 6 mois / 6 months

Contact :
–  Ludovic Moreau (ludovic.moreau ujf-grenoble.fr), responsable du projet

Imagerie super-résolution des milieux complexes par des approches Bayésiennes

Mots-clés  : ultrasons, imagerie, diffraction, problèmes inverses, approches Bayésiennes

Les méthodes ultrasonores comptent parmi les outils de référence pour imager un milieu, dans des disciplines variées comme l’imagerie médicale ou le Contrôle non Destructif (CND). Les ultrasons présentent en effet des avantages en termes de coût et d’encombrement, ainsi que des risques nuls pour la santé. Ils sont cependant sensibles à l’atténuation d’un milieu, et les champs acoustiques mesurés peuvent être difficiles à interpréter, notamment lorsque l’imagerie concerne des objets de dimension inférieure à la limite naturelle de diffraction. Ainsi les techniques d’imagerie de type échographie (domaine médical) ou focalisation en tout point (l’équivalent en CND), basées sur des sommations cohérentes de signaux acoustiques, sont limitées en précision, voire peuvent même se révéler inutilisables dans les milieux multi-diffusants.

Lors du stage, l’étudiant(e) s’attachera à continuer le développement d’une nouvelle méthode d’imagerie de type « super-résolution » initiée en 2013 lors d’un partenariat entre les Universités de Grenoble et de Bristol . La technique considérée est basée sur une approche Bayésienne pour minimiser une fonction de coût définie à partir de données mesurées dans le champ diffracté par un objet, et celles issues d’un modèle [1]. La méthode permet d’imager des objets de dimension très inférieure à la longueur d’onde (Fig 1), avec une résolution supérieure aux approches conventionnelles, présentant ainsi un fort potentiel pour des applications dans le domaine médical (détection de petites lésions dans les tissus mous) et industriel (contrôle non destructif). Une fois développée, la méthode sera appliquée à des problèmes d’imagerie médicale et de CND, les échelles caractéristiques de ces 2 domaines étant similaires.

Le stage se déroulera dans l’équipe Ondes et Structures d’ISTERRE sur le campus de l’Université de Grenoble. Le profil recherché correspond à un(e) étudiant(e) ayant un attrait pour les aspects expérimentaux et pour la modélisation, avec des connaissances sur les phénomènes de propagation et de diffraction des ondes. Des connaissances complémentaires en traitement du signal ainsi qu’en méthodes numériques (éléments finis, différences finies) seront appréciées.

Super-resolution imaging of complex media with Bayesian approaches

Keywords : ultrasonic, imaging, scattering, inverse problems, Bayesian approaches

Ultrasound-based methods have become a major tool for imaging a medium, in areas such as medical imaging or Non Destructive Testing (NDT). Ultrasounds have several advantages compared to other methods, mostly in terms of cost and health safety. On the other hand they are sensitive to attenuation, and the measured acoustic fields may be difficult to interpret, in particular when the objects to image have a dimension smaller than the natural scattering limit. Consequently delay-and-sum-based techniques such as the ultrasonic echography (medical imaging) or the total focusing method (the equivalent in NDT) may lack accuracy, or may even be irrelevant in multiple scattering media.

Thanks to rapid progress in computational power, alternative methods may be used to assess these difficulties. During the internship, the student will continue the development of a “super-resolution” imaging method initiated during collaboration between ISTerre at Grenoble and the Ultrasound and NDT group at the University of Bristol1. The technique is based on a Bayesian approach where the error between measured data and the output data of a model is minimized [1]. This statistical method allows imaging capabilities that go beyond the scattering limit encountered with conventional deterministic methods (Fig 1), with significantly improved image resolutions. The technique developed during the internship will then be applied to medical imaging and to NDT configurations, the scale of the wavelength in these 2 problems being of the same order of magnitude

The student is expected to have a strong background in wave propagation, signal processing and numerical modelling. Special interest in experimental investigations is preferable. The internship will take place at ISTerre on the site of the University Joseph Fourier in Grenoble.

Références / references :
1 L. Moreau, A. J. Hunter, A. Velichko and P.D. Wilcox, 3D reconstruction of sub-wavelength scatterers from the measurement of scattered fields in elastic waveguides (soumis)