Elasto-tribologie et élastographie passive: deux ... · Elasto-tribologie et élastographie...

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Elasto-tribologie et élastographie passive: deux expériences à l’interface entre imagerie médicale et sismologie. University of Paris 7, LOA (Institut Langevin), M.Fink University of Montevideo (Uruguay) LAU, C. Negreira University of Grenoble, ISTerre, M.Campillo University of Lyon, INSERM, LabTAU, J-Y Chapelon Stefan Catheline

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Elasto-tribologie et élastographie passive: deux expériences à l’interface

entre imagerie médicale et sismologie.

University of Paris 7, LOA (Institut Langevin), M.Fink

University of Montevideo (Uruguay) LAU, C. Negreira

University of Grenoble, ISTerre, M.Campillo

University of Lyon, INSERM, LabTAU, J-Y Chapelon

Stefan Catheline

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I Elastography

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HARD SOFT

Experimental movie of the z component of the displacements

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4

9

16

25

Z (mm)

X (

mm

)

20 50

15

0

-15

diamètre :6 mm diamètre : 10 mm

Z (mm) 20 50

KPa

Example of inclusions in gels

Brevet n° FR99 03157 déposé le 16 Mars 1999 : "Imagerie sismique des ondes de cisaillement",

Laurent Sandrin, Mickael Tanter, Stefan Catheline, Mathias Fink

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FibroScan®

Echosens (2003): le Fibroscan Supersonic Imagine (2008): l’Aixplorer

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Stefan CATHELINE

Soumaya LATOUR

Thomas GALLOT

Francois RENARD

Christophe VOISIN Michel CAMPILLO

Eric LAROSE

Part II: From Medical Imaging to seismology

-Sliding dynamic studies by use of elastography-

Earth Institute (ISTerre),

University of Grenoble

S. Latour et al,

« Ultrafast ultrasonic imaging of dynamic sliding friction in soft solids: the slow slip and the super shear regimes »

Europhysics Letter, EPL, 96 (2011) 59003.

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Vd=1-10 mm/s

6 cm

SOFT SOLID

(PVA)

Ultrafast

Scanner

64 channels

Transducer array

z x

y

Soft: VS 4m/s, VP= 1500 m/s

Friction experimental set-up: the basic principle

L. Sandrin, S. Catheline, M.Tanter, X Hennekin, M. Fink, « Time-resolved pulsed elastography with ultra fast imaging »,

Ultrasonic Imaging Vol. 13, pp.111-134, 1999.

Baumberger et al., « Self-healing slip pulses and the friction of gelatin gels »,The European Physical Journal E, Vol.11,

pp.85, 2003.

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Experimental set-up

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Strong friction configuration: PVA-sand paper interface

4 c

m

x

y

Vd=2.7 mm/s

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Strong friction configuration: Single depinning event analysis

Vd=2.7 mm/s

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4 c

m

y

x

Vd=2.7 mm/s

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Strong friction configuration: Statistic analysis

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Part I: PVA-sand paper interface - Statistic analysis

Depinning (tremor)

crisis Macroscopic slow slip

Driving velocity

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Weak friction configuration : Sand/glass interface

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Weak friction configuration : Sand/glass interface

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Weak friction configuration : super shear regime

y (

cm

)

x (cm)

Mach 2.5

Vd=1mm/s

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z (

cm

)

x (cm)

Mach 1.6

Vd=1mm/s

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Interface

Mach 1.1

VR

Mach 1.6

VR

VS

VS

Vd=1mm/s

Particle velocity

(a.u.)

x (mm)

z (m

m)

Weak friction configuration : super shear regime

z (m

m)

0 10 20 30 40 0 10 20 30 40

x (mm) 0 10 20 30 40

60

5

0

40

3

0

20

10

60

5

0

40

3

0

20

10

60

5

0

40

3

0

20

10

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Mott (1945), Burridge (1973).

Archuleta R., Journal of Geophysical Research, Vol.89, pp.4559, 1984. 1979 Imperial Valley earthquake

A. Rosakis et al., « Cracks faster than the shear wave speed »,Science, Vol.284, pp.1337, 1999.

Weak friction configuration : super shear regime

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Mixed friction configuration: Sand+Pebles(higher cohesive resistance)

O. Ben David et al., « The dynamics of the onset of frictional slip »,Science, Vol.330, pp.211, 2010.

E. M. Dunham et al., « A supershear transition mechanism for cracks »,Science, Vol.299, pp.1557, 2003.

Effect of heterogeneities

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4,8 cm

10 cm

Vd=2mm/s

Effect of barriers

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20 40 60 80 100 120

10

20

30

40

50

60

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

20 40 60 80 100 120

10

20

30

40

50

60

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

4,8 cm

10 cm

VR=7.5 ms-1 VS=8 ms-1

VR=10 ms-1

Mixed friction configuration

Sand

Peble barrier

Sand

Vd=2 mm.s-1

Non deterministic behaviour (memory effect?)

Latour et al. « Effect of fault heterogenity

on rupture dynamics: an experimental

approach using ultrafast ultrasound imaging », submitted

Journal of Geophys. Reasearch.

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S.Catheline, R.Souchon, A. Hoang-Dinh and J-Y Chapelon

INSERM U1032, LabTAU, University of Lyon

Shear wave imaging with a conventional scanner:

the passive elastography approach

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50 100 150 200 250 300 350 400

50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

6

5.2

4.3

3

S

20

40

60

80

z (

cm

)

x (cm)

0 80

m.s

-1

3

4

5

6

The diffuse field approach: finite difference

simulation

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50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

6

5.2

4.3

3

The diffuse field approach

Zoom

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Time reversal

TR=spatio-temporal

correlation (coda wave

interferometry)

Key for speed extraction=TR

S.Catheline, N. Benech, X. Brum, and C. Negreira, Phys.Rev.Letter. 100, 064301 (2008).

T.Gallot, S. Catheline, P. Roux, J. Brum, N. Benech, C. Negreira, IEEE UFFC, vol.58,6,p.1122 (2011)

01

2

2

2

tc dttrtrRT *)(),( 0

01

2

2

2

tc

zz

dtzz

RT *

01

2

2

2

t

v

cv dtvvV RT *

zz

tv

RTRT k 2Plane wave

RTRTV 2

RT

RTV

kc

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50 100 150 200 250 300 350 400

50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

20 40 60 80 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1

-0.5

0

0.5

1

x 10-19

6

5.2

4.3

3

ZOO

M

S

1s )(tR

R

20

40

60

80

z (

cm

)

20

10

0

x (cm) 0

)(t

Arb

itrary

un

it

0 80

20

t

c

m.s

-1

3

4

5

6

x (cm)

Fsampling=1000Hz

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x

10

20

30

40

50

Time -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4

(a.u

.)

0

8

(a.u.) 0 8

t=0s

x0=24

Over sampling

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x

10

20

30

40

50

Time -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4

(a.u

.)

0

8

(a.u.) 0 8

t=0s

x0=24

Over sampling

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50 100 150 200 250 300 350 400

50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

20 40 60 80 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1

-0.5

0

0.5

1

x 10-19

6

5.2

4.3

3

ZOO

M

S

3s )(tR

R

20

40

60

80

z (

cm

)

20

10

0

x (cm) 0

)(t

Arb

itrary

un

it

0 80

20

t

c

m.s

-1

3

4

5

6

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

6.2

5.8

4.9

3.6

0 20

m.s

-1

3

4

5

6

c

z (

cm

)

20

10

0

RT

RTV

kc

)Re(

x (cm)

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

10

20

30

40

0

20

40

0 2 4 6 8 10 12

0

10

20

30

40

-10

0

10

mm/s

7.5

0

-7.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Temps (s)

Ultrafast

scanner

Barette

ultrasons

-0.06 0 0.06

0

20

40 0

0.5

1

-0.06 0 0.06 Temps (s)

0

20

40 0

0.5

1

u.a.

x(m

m)

x(m

m)

The physiologic noise correlation by use of elastography

K. Sabra, S. Conti, P. Roux, and W. Kuperman, “Passive in vivo elastography

from skeletal muscle noise,” Appl. Phys. Lett. 901–3, 194101, 2007.

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MUSCLE

LIVER

Z

(mm

)

X (mm)

x (mm)

z (

mm

)

10 20 30 40

10

20

30

40 -60

-40

-20

0

The physiologic noise correlation by use of elastography

x (mm)

z (

mm

)

10 20 30 40

10

20

30

40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

x (mm)

z (

mm

)

10 20 30 40

10

20

30

40 1

2

3m/s

Wavelength tomography

MUSCLE

LIVER

Sonogram

T. Gallot, S. Catheline, P.Roux, J.Brum, N.Benech, C.Negreira« Passive elastography:

shear wave tomography from physiological noise correlation in soft tissues » IEEE

transaction on UFFC, Vol.58 N°6, June 2011.

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50 100 150 200 250 300 350 400

50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

20 40 60 80 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1

-0.5

0

0.5

1

x 10-19

6

5.2

4.3

3

ZOO

M

S

40s )(tR

R

20

40

60

80

z (

cm

)

20

10

0

x (cm) 0

)(t

Arb

itrary

un

it

0 80

20

t

c

m.s

-1

3

4

5

6

x (cm)

Fsampling=25Hz

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x

10

20

30

40

50

Time -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4

(a.u

.)

0

8

(a.u.) 0 8

t=0s

x0=24

Under sampling

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20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-3

-2

-1 0 1 2 3 4 5 6

x 10

-3

7

0 50 100 150 200 250-1

0

1

2

3

4

5

6x 10

-37

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50 100 150 200 250 300 350 400

50

100

150

200

250

300

350

4001

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

20 40 60 80 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1

-0.5

0

0.5

1

x 10-19

6

5.2

4.3

3

ZOO

M

S

3s )(tR

R

20

40

60

80

z (

cm

)

20

10

0

x (cm) 0

)(t

Arb

itrary

un

it

0 80

20

t

c

m.s

-1

3

4

5

6

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

10

6.2

5.8

4.9

3.6

0 20

m.s

-1

3

4

5

6

c

z (

cm

)

20

10

0

RT

RTV

kc

)Re(

x (cm) lambda

10 20 30 40 50 60 70 80 90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

4

5

6

7

8

9

10x 10

-3

7.0

9.1

8.7

5

20

10

0

0 20

cm

4

6

8

10

RT

RT

k

Infos spatiales uniquement

Pas d’info temporelle

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x

10

20

30

40

50

Time -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4

(a.u

.)

0

8

(a.u.) 0 8

t=0s

x0=24

Elasticity imaging: under sampling experiments

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10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

nmmnmn qrjkrjkrjkrjqrjqrj

kG

)(3)(3)()(2)()(

12),(Im 2

3

22020

3

r0

3

3

362

12)0,0(Im

S

mnc

fkkG

The softer, the higher the amplitude

Is it always true? Not sure. Bar, plate, string

ikxstring ec

ixG2

),0( ikxbar eic

xG3

3

4),0(

)]()()()([

8),0( 00002

2

riiNrijkrNkrjic

xG plate

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -50

0

50

Transducer array (12

MHz)

CIRS

phantom

time (s)

μm

Yz(x,z;t)

xz

8 kPa 14 kPa 80 kPa

25 kPa

45 kPa

Phantom experiment

B&K

scanner

25Hz

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type3, 1.50

50 100 150

20

40

60

80

100

120

140

160

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

type4

50 100 150

20

40

60

80

100

120

140

1600

100

200

300

400

500

600

700

x (mm) 0 35

E

25 55

z (m

m)

0

35 x (mm) 0 35

E

25 90

Phantom experiment

Frequency=58Hz

Constructor: 80kPa Constructor: 45kPa

0

150

0

150

Frequency=52Hz

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type1, grande, 0.62

50 100 150

20

40

60

80

100

120

140

160

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

type2, 0.58

20 40 60 80 100 120 140 160 180

20

40

60

80

100

120

140

1600

50

100

150

200

250

300

x (mm) 0 35

25 10

x (mm) 0 35

25 12.5

5

z (m

m)

35

E E

Phantom experiment

Constructor: 14kPa Constructor: 8kPa

0

100

0

100 Frequency=48Hz Frequency=53Hz

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Preliminary in-vivo

experiment

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800 images @ 25Hz

Preliminary in-vivo

experiment

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20 40 60 80 100 120 140 160 180

20

40

60

80

100

120

140

1600

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

20 40 60 80 100 120 140 160 180

20

40

60

80

100

120

140

160

20 40 60 80 100 120 140 160 180

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

110

z (m

m)

35

x (mm) 0 35 x (mm) 0 35

thyroid thyroid

Sonogram Passive elastogram

cyst cyst

carotid

RT

RT

k

carotid

S. Catheline, R.Souchon, J. Brum, A.H. Dinh, J-Y Chapelon «Tomography from diffuse waves: passive shear

wave imaging using low frame rate scanners» accepted Applied Physics Letter.

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20 40 60 80 100 120

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

mu

20 40 60 80 100 120

20

40

60

80

100

120

140

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2x 10

5

0

z (m

m)

35

x (mm) 0 35 x (mm) 0 35

thyroid thyroid

In vivo experiment

Sonogram Dynamic elastogram

kyste kyste

S. Catheline, R.Souchon, J. Brum, A.H. Dinh, J-Y Chapelon «TOMOGRAPHY FROM DIFFUSE

WAVES: PASSIVE SHEAR WAVE IMAGING USING LOW FRAME RATE SCANNERS» accepted Applied

Physics Letter.