faculté de médecine de lille les ultrasons en...

__ Faculté de Médecine de LILLE _____________________ Biophysique et Imagerie Médicale __

____ Dr S. Coequyt 2005 ________________________________________________ 80 ______

LES ULTRASONS EN MÉDECINE

Vers les années 1970, l'utilisation des ondes ultrasonores, combinée autraitement d'images et à l’apparition de la notion d’échelle de gris, a fourni la premièretechnique d'imagerie médicale non radiologique.

Actuellement l'examen par ultrasons est devenu la suite logique d'un examenclinique dans de nombreuses spécialités, telle la gynéco-obstétrique. Le fœtus baignantdans le liquide amniotique reste un modèle idéal en échographie, en raison del'hétérogénéité acoustique de l'utérus gravide et surtout de l'innocuité pour la mère etl'enfant.L’échographie analyse, en simplifiant à l’extrême, les organes sans calcium et sans air,du moins lorsqu’ils sont sains. Logiquement, cette technique est complémentaire àl’imagerie par atténuation. Une autre caractéristique de l’imagerie par ultrasons est lavisualisation en temps réel du mouvement des organes.

Ces caractéristiques font qu’il n'y a pas actuellement de spécialistes exclusifsen échographie, les examens sont réalisés par de nombreux spécialistes médicaux(cardiologue, gastro-entérologue) dans leur domaine d'activité, mais aussi et surtout parles radiologues.

I BASES PHYSIQUES : SONS ET ULTRASONS

I - 1 ) Aspect physique

L'onde est liée à la notion de transport d'énergie à distance, sans transport dematière. Il importe de différencier d'emblée les ondes électromagnétiques des ondesmécaniques, bien que ces entités présentent une nette analogie. Cela est dûessentiellement à l’aspect mathématique et aux caractéristiques primordiales que sont lapériodicité et la propagation du phénomène ondulatoire.

Les ondes électromagnétiques :

E>

B>

C> Ce sont des ondes

transversales qui obéissent auxéquations de MAXWELL dont lathéorie date de 1860 (cf. p.5).

Ces quatre équat ionsfondamentales de la physiquemathématique décrivent les ondesélectromagnétiques par lamodification locale, dans l'espace,qu'elles engendrent.

L'espace n'est pas forcémentun milieu matériel, en effet, lesondes électromagnétiques sepropagent dans le vide à la céléritéc (vitesse de la lumière).


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Cette classe d'ondes est celle qui est utilisée en radiologie, en médecinenucléaire, en thermographie et en imagerie par résonance magnétique.

Les ondes mécaniques :

L'énergie se propage aussi par vibration, cette foi-ci nécessairement parl'intermédiaire de l'ébranlement d'un milieu matériel, donc composé d'atomes.L'amplitude de l'ébranlement est soit parallèle, soit perpendiculaire à la direction depropagation qui est aussi celle du transfert d'énergie. Les vecteurs d’amplitude et devitesse peuvent être parallèles ou perpendiculaires à cette direction.

La vibration se propage de proche en proche, sans transfert de matière, maisavec transfert d’énergie cinétique.

1 - onde transversale

a->

v->a-> v->

amplitude

vitesse de

perturbation propagation

2- onde longitudinale

a-> v->

a-> v->amplitude

vitesse de propagation

perturbation

Dans les deux cas, on peutaboutir lors d'un étatd'équilibre entretenu, à unsystème d'ondes ditesstationnaires, représentémathématiquement ci-contrepar la conjonction de deuxfonctions sinusoïdales.

Sin x( ) et Sin x + π( ) pour x ∈ 0 , 8π[ ]


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remarque : les représentations graphiques des ébranlements transversal etlongitudinal précédents, correspondent respectivement aux fonctions :

Sin x2( ) pour x ∈ 0 , 2π[ ] etSin exp(− x)( ) pour x ∈ − π , + π[ ]

I - 2 ) Aspect mathématique

Un son pur, habituellement évoqué par le La du diapason, est représentémathématiquement par une onde élémentaire, monochromatique, de forme sinusoïdaleet de fréquence unique. Par exemple le La3 possède la fréquence de 440 Hz.

La décomposition en série de FOURIER permet d'étudier n'importe quelphénomène périodique en le décomposant en une somme, parfois infinie, de fonctionsmonochromatiques (cf. p.65).

- onde monochromatique :Sin [2π (ν0 t )]ν0 = 440 Hz

amplitude

Hz 440 onde sinusoïdale monochromatique spectre en fréquence

- onde polychromatique :Sin [ 2π{ 3 (ν0 t) + 2 (ν1 t) + (ν2 t)}]ν0 = 110 Hz , ν1 = 220 Hz , ν2 = 440 Hz

amplitude

Hz 220 440 110onde polychromatique spectre en fréquence


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Le milieu propageant l'onde mécanique est le siège d'une perturbation dans letemps et dans l'espace. Cette perturbation spatio-temporelle est habituellementreprésentée par une fonction à deux variables.

a = a ( t , x )= a max Sin ω t − k x[ ]

Par exemple, pour l'état gazeux et si le milieu est en état d'équilibre à lapression P0, la variation de pression, en un point donné x et pour un instant donné t,est exprimée par la formule :

Δ P = P − P0 = P max Sin ω t − k x[ ]

La formulation à deux variables du phénomène ondulatoire est difficile àappréhender. Une approche intuitive consiste en une représentation en trois dimensions(a , t, x), largement favorisée par les programmes informatiques actuellement diffusés :

a est l'amplitude, t le paramètre temps, x la variable d'espace.

Avec les notations habituelles :

a = a max Sin ω t + ϕ[ ] (ϕ → choix de l' origine)

a = a max Sin ω t − k x[ ] (k =2πλ, nombred' onde)

En rappelant ω = 2πν , λ = cT et ω T = 2π et ν = 1T

il vient a = a max Sin 2π ν t − xλ

⎡ ⎣

⎤ ⎦

= a max Sin 2πtT

− xλ

⎡ ⎣

⎤ ⎦

Pour fixer les idées, représentons cette fonction pour la fréquence du La 3, unitélégale fixée à 440 Hz, propagée dans l'air ambiant à la vitesse de 330 ms -1.

Il ne peut s'agir que d'une représentation mathématique, puisque la nature de lacoordonnée spatiale x et de la coordonnée temporelle t sont intrinsèquement trèsdifférentes.

La période est d'environ 2,3 ms et la longueur d'onde de 0,75 m.


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La surface précédente est la représentation de la fonction de deux variables :

Sin 2π ( 440 t + x0,75

) pour t ∈ [ − 2 , + 2 ] en ms

et x ∈ [ − 0,5 , + 0,5] en m

Par contre si on étudie la variation de l'amplitude en fonction d'une seule desdeux variables, l'autre étant fixée, on retrouve les notions classiques de longueur d'ondeet de période. On a en quelque sorte réalisé deux plans de coupe perpendiculaires dansle schéma à trois dimensions précédent.

x

longueur d' onde période

t

Sin 2π ( x0,75

) Sin 2π ( 440 t ) en m

La fréquence ou la période sont caractéristiques de l'onde, par contre lalongueur d'onde n’est pas une constante puisque qu'elle dépend de la vitesse depropagation de l'onde dans le milieu matériel donné.

I - 3 ) Aspect informatique et numérique


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La conversion analogique - numérique permet la synthèse et l'analyse des sons.On peut généraliser aux ultrasons les différentes notions abordées ci-dessous.

Les sons ou ultrasons sont caractérisés par :

- la hauteur correspondant à la fréquence fondamentale ( ν 0 )

- le timbre lié aux harmoniques c'est à dire aux multiples de la fréquencefondamentale n ν 0 .

- l'intensité liée à la puissance d'émission du son

- la durée d’émission, le son étant un phénomène non stationnaire,transitoire, lorsqu'il n'est pas entretenu.

La synthèse, ou l'analyse d’un son utilise la notion d'enveloppe, qui caractérisele timbre, l'intensité ainsi que la durée du son.

Schématiquement, l'enveloppe évolue en quatre phases successives :

A

B

C

D

temps

amplitude

A : attaque

B : décroissance

C : phase stationnaire

D : extinction

L'onde proprement dite, caractérisée par sa fréquence, évolue dans cetteenveloppe.

En annexe II est présenté un exemple de synthèse de son qui illustre parailleurs la notion de développement en série de FOURIER.

sons et ultrasons :

Un sujet jeune perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre 16 Hz etenviron 20000 Hz. En dessous, on parle d'infrasons et au-dessus d'ultrasons.

Les ultrasons sont des ondes mécaniques dont la fréquence est supérieure à20000 Hz. Les fréquences peuvent atteindre des valeurs élevées, jusqu’au gigahertz(109 Hz).

Ces ondes sont de plus en plus utilisées en médecine à des fins diagnostiques,thérapeutiques ou comme outil en chirurgie et en odontologie.


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Les fréquences habituellement utilisées pour les applications médicales sont del'ordre de un à vingt mégahertz.

1 . 10 6 Hz à 20 .10 6 Hz

II PRODUCTION ET DÉTECTION DES ULTRASONS

Toutes les sources de bruits audibles émettent des ondes mécaniques couvranten partie le spectre ultrasonore.

De nombreux animaux sont des émetteurs d'ultrasons (chauve souris, dauphins,insectes, etc.).

Pour les fréquences de 20 à 100 kHz, la technologie est identique à celle desémetteurs sonores (sifflet ou sirène ) mais fonctionnant à des fréquences plus élevées,non audibles par l'homme.

Il existe d'autres générateurs d'ultrasons de basses fréquences, basés sur l’effetde magnétostriction en particulier.

Cependant, pour les fréquences du domaine médical, la production d'ultrasonsest basée uniquement sur l'effet piézo-électrique.

II - 1 ) Effet piézo-électrique

La piézo-électricité se traduit par l'apparition de charges électriques à lasurface de certains cristaux soumis à une contrainte mécanique. Il s'agit d'unphénomène réversible, puisqu’inversement, une modification mécanique peut engendrerl’apparition de charges donc un courant électrique.

Les cristaux en cause doivent présenter un centre d'asymétrie lors d'unecompression, le plus connu est le quartz qui est une forme cristalline de la silice (SiO2).

+ -

+-

+ -

+-

Lors de contraintes mécaniques imposées au cristal, il n’y a pas demodification du centre de gravité des charges, donc pas d’effet piézo-électrique.

+

+

-

-

+- +

-+

-+

- c c'


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Les contraintes mécaniques modifient le centre de gravité des chargesélectriques, donnant naissance à un dipôle électrique.

L’apparition de cette différence de potentiel est l’effet piézo-électrique.

Il existe ainsi un couplage électromécanique, car si une différence d'épaisseurse traduit par une différence de potentiel, à l'inverse une différence de potentiel imposéeau cristal se traduit par une différence d'épaisseur de celui-ci.

dV

A une tension V donnéecorrespond une épaisseur ducristal : d.

V + VΔ

d + dΔ

Si on ajoute une différencede potentiel, Δ V , l'épaisseur ducristal variera de Δ d, de façonproportionnelle à Δ V.

il vient : Δ V = k x Δ d.

k est caractéristique du matériau. Lorsque la variation de potentiel estsinusoïdale, il existe une épaisseur de cristal pour laquelle celui-ci vibre par phénomènede résonance mécanique; Une émission d’ultrasons de fréquence fixe est générée.

Outre le quartz, il existe d'autres matériaux piézo-électriques. Citons lescéramiques (titanate, zirconate de plomb, de calcium) refroidies dans un champélectrique intense, ce qui leur confère une polarisation et une capacité piézo-électrique.

L'effet piézo-électrique présente une dualité émission-réception, car le mêmeélément est à la fois émetteur et récepteur. Cette remarque est primordiale.

en émission, une différence de potentiel sinusoïdale imposée au cristalentraîne une vibration mécanique de nature ultrasonore.

en réception, une onde ultrasonore reçue par le cristal après réflexionproduit une différence de potentiel mesurable au niveau du même cristal.

C

C

L R

remarque : l'équivalentélectrique du résonateur piézo-électrique représente bien lasymétrie émission-réception.

la fréquence de résonance estdonnée par

12π LC( )


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Contrairement aux autres techniques d'imagerie médicale, le même appareil(sonde ultrasonore) émet et reçoit l'information, c' est à dire que l'émetteur et lerécepteur sont confondus.

II - 2 ) Sonde à ultrasons

Les différents éléments sont résumés par le schéma suivant.

u s

u s

1 432

1- émission et recueil de ladifférence de potentiel

2- céramique ou quartz transducteur

3- lentille acoustique

4- faisceau directif d'ultrasons

II - 3 ) Caractéristiques du faisceau d'ultrasons

Le faisceau ultrasonique doit être à la fois pénétrant pour observer lesstructures anatomiques profondes, et suffisamment fin pour observer les détails defaible extension spatiale. Ces deux caractéristiques dépendent du même paramètre, lafréquence de l'onde, ce qui nécessite la recherche d'un compromis.

Hautes fréquences :

- faisceau fin- peu pénétrant

Basses fréquences

- faisceau large- pénétrant

zonede Fresnel

zonede Fraunhoffer

Pratiquement, il existe deux types de sondes :

- sondes de hautes fréquences (10 MHz)bonne résolution spatialefaible pénétration (2 cm)donc pour les organes périphériques (œil, thyroïde).

- sondes de basses fréquences (3,5 MHz)faible résolution spatialebonne pénétrationdonc pour les organes profonds (organes abdominaux).


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Il faut ainsi admettre un compromis entre la résolution, c'est à dire la finesse del'image et la profondeur de l'organe à examiner.

III PROPRIÉTÉS BIOPHYSIQUES DES ULTRASONS

La transmission de l’énergie cinétique, de proche en proche aux couchesmoléculaires contiguës, suit les lois de la thermodynamique microscopique. Ceciconduit à des caractéristiques observables pour la propagation, la vitesse, latransmission, la réflexion et l’absorption de l’énergie.

III - 1 ) Propagation

Les ultrasons ne se propagent pas dans le vide.Ils cheminent très mal dans l'air et dans le tissu osseux, par contre ils traversent

aisément l'eau et les tissus mous.Dans un milieu matériel homogène, les ultrasons sont très peu diffractés et se

propagent quasiment en ligne droite. Cette propriété essentielle est mise à profit pourdétecter les obstacles rencontrés par le faisceau (sonar, échographie). Pour chaqueobstacle rencontré, les caractéristiques de l’onde ultrasonore vont changer, ce quipermet la formation d’images.

III - 2 ) Vitesse

La vitesse ou célérité de l'onde dépend de la compressibilité (χ : khi) et de lamasse volumique (ρ : rô) du milieu de propagation.

v ≈1

ρ χ

χ est le coefficient de compressibilité.

ρ est la masse volumique du milieu.

En toute rigueur χ = −1V

∂ V∂ P

⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ T

.

Pour l’état gazeux, l’agitation thermique est telle que les moléculesn’interagissent que lors des chocs puis elles deviennent indépendantes (absenced’énergie potentielle).

La distance intermoléculaire moyenne est élevée, l’organisation dépendfortement de la pression extérieure, le coefficient χ est élevé.

Pour l’état liquide, il existe un compromis entre les forces d’attraction et derépulsion. Les distances intermoléculaires sont beaucoup faibles, de ce fait un liquideest beaucoup moins compressible, χ est faible.

A la pression atmosphérique, les liquides usuels sont 105 fois moinscompressibles qu’un gaz.


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Cette relation explique par exemple pourquoi l'eau liquide, beaucoup moinscompressible que l'air gazeux malgré une densité plus importante, transmet les sons etultrasons plus rapidement.

Le tableau suivant illustre cette notion par d'autres exemples d'intérêt médical.On remarquera que pour les tissus mous (eau, graisse, muscle) la vitesse de propagationest quasiment constante.

tissu vitesse m/sair 330graisse 1440eau 1500muscles 1500os 3500

III - 3 ) Transmission et réflexion

Si le milieu est hétérogène, au niveau des surfaces de discontinuité, appeléesinterfaces, une partie de l'énergie est transmise et une partie réfléchie.

2

3 a

b

1

1- sonde émettrice et réceptrice

2- ondes transmises et absorbées

3- ondes réfléchies et absorbées

a et b , sont des milieux dontl'impédance acoustique est différente (cf.p. suivante). La structure est hétérogène.

Si le milieu de propagation est homogène, c'est à dire de structure uniforme, ily aura peu de réflexions et par suite peu d'échos. On parlera de milieu hypoéchogène,c'est le cas du liquide amniotique par exemple.

Si le milieu est hétérogène, par exemple lésion solide ou calcifiée, beaucoupd'échos seront créés et on parlera de milieu hyperéchogène.

Une formation liquidienne transmet pratiquement entièrement le faisceauincident. Il existe des échos à la sortie de la formation qui est décrite comme « une zoneanéchogène avec renforcement postérieur ».

La quantité d'échos dépend essentiellement de la différence d'impédanceacoustique.

Cette grandeur est définie par Z = ρ x v où ρ est la masse volumique dumilieu et v la célérité de l'onde.

Au niveau de l’interface séparant deux milieux de vitesse de propagationdifférente, une partie de l’énergie est transmise, le reste est réfléchi.


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Zi Z t1

23

1 –> énergie incidente

2 –> énergie transmise

3 –> énergie réfléchie

Z i : impédance acoustiquedu milieu "incident"

Z t : impédance acoustiquedu milieu "transmis"

Quelque soit le milieu de propagation (cf. p. 84), il existe une absorption del'onde fonction de l'épaisseur traversée. En négligeant cette atténuation, on peutadmettre que l’énergie incidente se retrouve complètement sous forme d’énergietransmise, ou réfléchie.

Les coefficients de réflexion et de transmission, R et T , sont définis par lerapport entre l’énergie réfléchie ou transmise et l’énergie incidente.

La conservation de l'énergie s'exprime par R + T = 1 .

On montre les relations suivantes :

R =Z i − Z t

Z i + Z t

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ 2

T = 1 − R soit T =4Z i Z t

(Z i + Z t)2

De la même façon que la radiologie conventionnelle « mesure » les différencesd'atténuation, l'échographie « mesure » les différences d'impédance acoustique Zi - Zt .

Pour fixer les idées, la valeur numérique de Z , en kg. m-2 . s-1 , est de l’ordrede 4.102 pour l’air et de 2. 106 pour l’eau ou les tissus mous.

L’application de la formule précédente montre que T = 8.10 - 4 . Seul environun millième de l’énergie incidente est transmise. Les échos seront importants puisquepratiquement toute l’énergie est réfléchie par une interface air - eau.

C’est le cas en pratique pour l’air alvéolaire qui limite l’étude pulmonaire.Ceci justifie les quelques considérations pratiques suivantes :

- les organes en arrière des gaz ne sont pas visibles (échographieabdominale)

- les embolies gazeuses peuvent être visualisées (accident de plongée)- il faut utiliser un gel de contact entre la sonde et le tissu cutané pour

éviter la réflexion totale du faisceau incident.


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III - 4 ) Absorption et diffusion

La diminution de puissance du faisceau lors de la traversée des organes étudiésen échographie est due :

- aux phénomènes de réflexion et de transmission, favorables puisqu'ilsconduisent à la formation des échos et donc de l'image échographique

- à l'absorption de l'onde mécanique qui existe quelque soit le milieu traversé,même parfaitement homogène. Une fraction de l’énergie de l’onde est transformée enénergie cinétique par agitation moléculaire, donc transformée en chaleur.

- Les organes hétérogènes se comportent comme un grand nombre de sourcessecondaires d’ultrasons. Les réflexions microscopiques émettent dans toutes lesdirections de l’espace, c’est le phénomène de diffusion.

L'atténuation est la diminution globale de puissance due à l’absorption ou à ladiffusion. Elle augmente lorsque la fréquence augmente (cf. p.80 et 81).

Comme pour l'absorption des rayons X , on observe expérimentalement, pourun faisceau et un milieu homogène une loi exponentielle :

I = I0 exp −xx0

⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟

x0 est l'épaisseur de tissu traversé qui diminue la puissance du faisceauincident d'environ un facteur 3.

En effet :xx0

= 1 ⇒II0

≈13

car 1e

≈ 0,37

Voici quelques valeurs numériques de x0 qui dépendent du milieu étudié et dela fréquence de l'onde. Ce facteur varie de 20 m à une fraction de mm .

tissu fréquence x0eau 2 103 cm

graisse 10 cmos 0,5 MHz 1 cm

2 MHz 0,2 cm3,5 MHz 0,06 cm

L’atténuation peut être exprimée en décibel (dB) par la relation :

A dB( ) = 10 log I0I

⎛ ⎝

⎞ ⎠ .

Le coefficient d’atténuation α est alors exprimé en dB . cm- 1 : α =A dB( )x cm( )

Plus α est petit et plus la pénétration du faisceau est importante.


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IV IMAGERIE ULTRASONIQUE

IV - 1 ) Principe de l’échographie

Plusieurs procédés sont employés pour obtenir une image ultrasonique ouéchographie. Ils sont tous basés sur le même principe, celui de l’écho pulsé.

Le signal d’émission de quelques millionièmes de seconde est émis par lasonde transductrice. Une partie de l’énergie est réfléchie sur chaque interface et esttransformée en signal électrique par la sonde qui fonctionne en émission et en réception(cf. p.80). Les échos sont détectés par un oscillographe. Les temps mesurés sontdirectement proportionnels à la profondeur ou à l’épaisseur des organes rencontrés parle faisceau.

profondeur

épaisseursonde

t 0 2t1ttemps en µs

Si v est la célérité de l’onde, prof. = t1 − t02

. v et ép. = t2 − t12

. v

Le dénominateur 2 correspond bien entendu à l’aller et au retour de l’onde.On verra que l’amplitude de l’écho peut être codée par une échelle de gris et conduire àune image.

IV - 2 ) Echographie en mode AC’est la première des techniques échographiques utilisées. Le mode A explore

l’organisme selon un axe unidimensionnel. Il subsiste quelques rares applications.

sonde bassefréquence


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La présence d’une dissymétrie due à la présence d’un hématome ou d’unemétastase était visible par le déplacement de la faux du cerveau.

En ophtalmologie, on peut mesurer l’épaisseur du cristallin ou diagnostiquerun décollement de rétine (myopie, traumatisme, diabète et hypertension).

sonde hautefréquence rétine normale

décollement de rétine

La plupart des échographes possède le mode A. Néanmoins, cette technique estdevenue obsolète depuis l’apparition de la scanographie et de l’échotomographie.

IV - 3 ) Echographie en mode B

Comme pour le mode A, le faisceau est directif. Pour chaque direction, c’est àdire pour chaque ligne, la sonde émet et récupère des intensités ultrasoniques.

Mais surtout, la notion d’échelle de gris est introduite. Les amplitudes dessignaux correspondant aux échos sont converties en points brillants sur un écrand’oscilloscope. La brillance du point est proportionnelle à l’amplitude de l’écho.

Les échos les plusintenses sont codés enblanc, l’absence d’échoest codée en noir.

L’exemple montreun codage à sept niveauxde gris, pour une seuledirection.


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En modifiant de façon continue la position de la sonde, c’est le balayage, onobtient une coupe du tissu exploré : une échotomographie.

Techniques de balayage

Le balayage est manuel ou automatique. Cette dernière forme permet uneimagerie en temps réel qui tend à se généraliser actuellement.

- balayage manuel :l’opérateur imprime le mouvement à la sonde, un pantographe assure le

positionnement correct le long de la coupe. C’est une technique statique qui ne permetpas d’observer le mouvement des organes.

- balayage temps réel (TR) :Soit d la distance maximale des

échos perceptibles et n le nombre delignes explorées, 2. d. n représente ladistance parcourue par l’onde pour unecoupe.

Si v est la célérité de l’ondeultrasonore, le rapport v / 2. d. nreprésente le nombre d’images parseconde observées (fréquence image).

12

3 n-1n

dist.

Il faut adapter les différents paramètres, essentiellement le nombre de lignes npour obtenir 25 images par seconde. Cette fréquence est celle des images de télévisionet correspond à la fréquence de fusion visuelle.

Balayage sectoriel mécanique :

un moteur entraîne un ou plusieurstransducteurs dans un mouvement derotation (30 tours par minutes).


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Balayage électronique :

- la connexion successive desdifférents transducteurs est réalisée parun dispositif électronique appelé ligneà retard sectoriel

- à chaque commutation, undéphasage progressif homogénéise etfocalise le faisceau.

linéaire

Les différentes techniques de balayage sont sectorielles ou linéaires,mécaniques ou électroniques.

On peut observer en temps réel les mouvements, par exemple ceux du fœtus oules battements d’une artère.

C’est l’intérêt principal le l’échographie de mode B en temps réel.

IV - 4 ) Echographie en mode TM

Le mode TM, Temps - Mouvement, explore un organe mobile alors que lasonde est fixe.

Ci - dessus est schématisé le mouvement de la valve mitrale, ainsi que ladirection de l’enregistrement TM. La vitesse de déroulement de l’enregistrement estidentique à celle de l’électrocardiogramme, 25 mm par seconde. Cette technique apermis de découvrir une maladie, le syndrome de BARLOW ou prolapsus de la valvemitrale qui est présente sous forme de ballonnisation simple dans 5% de la population.

Une autre application importante de l’échographie en mode TM estl’enregistrement des bruits du cœur fœtal. Enfin il est aussi possible d’accéder àl’estimation de la fraction d’éjection cardiaque, c’est à dire au pourcentage de sangéjecté pendant la phase systolique.

Les matériels actuels fonctionnent au choix en mode, A , B et TM,préférentiellement dans les deux derniers modes. Plusieurs sondes sont proposées pouradapter la fréquence d’émission à la profondeur et à l’échogénicité de l’organe àexplorer.


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L’échographie fut la première technique à utiliser un codage de gris. Tout cequi a été écrit précédemment sur la conversion analogique - numérique s’applique àl’imagerie ultrasonique.

Les traitements numériques d’images s’appliquent aussi, y compris lareconstruction en trois dimensions actuellement en développement (cardiologie).

V ULTRASONOGRAPHIE EN MODE DOPPLER

V - 1 ) Effet Doppler (ou Doppler - Fizeau)

L’effet DOPPLER (1803 - 1853) découvert pour les ondes sonores et appliquéà l’optique par FIZEAU (1819 - 1896) rend compte de la variation de la fréquenced’une onde monochromatique lors du mouvement de la source ou de l’observateur.

C’est un phénomène intuitivement facile à comprendre et qui s’applique à denombreux domaines de la physique.

En physique relativiste, l’effet DOPPLER pour lesondes électromagnétiques s’exprime par l’égalitéci - contre, où ν est la fréquence initiale et ν0 lafréquence modifiée.

ν = ν01 −

v2

c2

1 + vccos θ

v et c sont les vitesses respectives du corps en mouvement et de la lumière.

Cette formule est à la base d’une part importante des connaissances actuellesen radioastronomie (rotation du soleil, vitesses radiales des étoiles, distances stellaires,théorie du big - bang , expansion de l’univers).

Dans le domaine des ondes acoustiques, ultrasoniques en ce qui nous concerne,l’effet est décrit mathématiquement par la formule

ν = ν01 −

VOV

cos θO

1 − VSVcos θS

.

Les notations sont explicitées ci - dessous, les indices intéressent :

- la source en mouvement –> S

- l’observateur en mouvement –> O.

V est la célérité de l’onde. S O

θs

Vs

V

θo

Vo

Si la source s’approche de l’observateur, la fréquence perçue ν est supérieureà la fréquence émise ν 0 et inversement devient inférieure lors de l’éloignement.

Les bruiteurs du cinéma ont usé et même abusé de cet effet d’observationcommune : sifflet de locomotive, sirène d’ambulance ou sifflement grinçant des balles


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de revolver. Dans ce dernier cas, l’effet sonore est contraire aux lois de la physique,sauf si le spectateur est directement visé par l’arme, ce qui est rare, même en image!

En médecine, l’effet DOPPLER trouve la majorité de ses applications dansl’étude de la circulation sanguine. La « source », c’est à dire la sonde Doppler, estimmobile, alors que « l’observateur » qui reçoit les signaux est l’ensemble des hématiesqui réfléchissent les ultrasons.

La fréquence de l’onde ultrasonique reçue sera différente de celle de l’ondeémise, témoignant du mouvement du flux sanguin.

Effet Doppler : modification de la fréquence perçue suite au mouvement de lasource ou de l’observateur.

V

: source en mouvement

observateur

source immobile

Vs

Pour les applications médicales, on ne développera que le cas de la source fixe,l’observateur (ou le récepteur) étant en mouvement.

V - 2 ) Source fixe et observateur en mouvement

θo

La sonde émet à sa fréquence derésonance : ν =

1T

en Hz .

t = t 0t = t 0 + T


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Pour estimer la fréquence reçue par l’hématie en mouvement, considéronsl’intervalle de temps Δ t nécessaire pour la réception de deux maxima émis à t = t0 et à t = t0 + T (ou de deux amplitudes quelconques séparées par la période T ).

S Oθo

V

Vo

M

M'

V -> célérité de l’onde dans le milieu

V0 -> vitesse de déplacement deshématies

θ -> angle entre la direction de l’ondeet le vaisseau étudié.

Δ t(t0 ) =S O

V

Δ t(t0 +T ) = T +S

M

V

Délais de réception des signaux émisà t0 et à t0 + T .

L’intervalle de temps perçu par « l’observateur » n’est plus T comme dans lecas de la source et de la cible fixes, mais T’ tel que :

′ T = Δ t(t0 + T ) − Δ t(t 0 ) = T +S

M − S O

V

La célérité de l’onde est très grande par rapport à la vitesse de déplacement del’observateur. Par exemple, pour rester dans le domaine médical, la vitesse dedéplacement des hématies dans l’aorte est de :

- 1 m.s -1 pendant la systole- 0,15 m.s -1 pendant la diastole- 0,30 m.s -1 en moyenne.

Ces valeurs sont à comparer à la vitesse de propagation des ultrasons dans lestissus mous, de l’ordre de 1500 m.s -1.

Selon une approximation classique, confondant le sinus, l’arc et la tangented’un petit angle exprimé en radian, il vient (cf. le schéma du bas de la page précédente)

S

M ≈ S ′

M = SO + O ′ M

= SO + OM .cos θ0

en rappelant que T’ est le délai entre la perception de deux maxima, il vient


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S M − SO = OM . cos θ0

= V0 . ′ T { }.cos θ0

En définitive, il vient : ′ T = T +V0

V. cosθ0 . ′ T ,

qui résolu en T’ devient ′ T =T

1 − V0

V. cos θ0

.

En reprenant les notations fréquentielles de la page 89, on obtient enfin :

ν = ν0 1 −V0V. cos θ0

⎛ ⎝

⎞ ⎠

Cette formule est un cas particulier de la formule générale du domaine desondes acoustiques (cf. p. 89), dans le cas où la source n’est pas mobile (Vs = 0) .

l’hématie s’éloigne θ0

cos θ0 > 0 , θ0 < π2

ν < ν0

l’hématie s’approcheθ 0

cos θ0 < 0 , θ0 > π2

ν > ν0

V - 3 ) Application médicale : le Doppler continu

Le faisceau réfléchi par les hématies est capté par la sonde émettrice -réceptrice, l’onde fait un aller - retour, inversant son sens.

ν = ν0 1 − V0V. cos θ0

⎛ ⎝

⎞ ⎠ s' écrit

ν - ν0 = − ν0 .V0V. cos θ0 d' où

Δνν0

= − V0V. cos θ0 en posant

Δν = ν - ν0

En tenant compte du double décalagede la fréquence, une fois à l’aller, une foisau retour, la variation relative de lafréquence émise s’écrit :

Δνν0

= −2V0V

. cos θ0


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La différence relative de fréquence est donc, pour des conditions d’examenstandardisées ( θ0 fixe, entre 30 et 60°, C de l’ordre de 1500 m.s -1), directementproportionnelle à la vitesse de déplacement des hématies.

On accède à la vitesse d’écoulement des éléments figurés du sang, c’est lavélocimétrie Doppler.

Du point de vue technique, l’onde émise en continu (Doppler continu) etl’onde réfléchie sont, après transduction, additionnées, ce qui produit un phénomène debattement à la fréquence Δ ν .

Application numérique :pour ν0 = 3,5 Mhz, C = 1500 m.s -1 , V0 = 0,15 m.s -1

(diastole aortique), ouV0 = 1 m.s -1

(systole aortique), la différence de fréquence Δ ν est de 600 Hz ou de4000 Hz.

Ces fréquences sont dans le domaine audible, l’information est fournie aumédecin par un haut - parleur ou bien sous forme de courbe sur oscilloscope.

Il est possible de reconnaître une sténose, un anévrisme, etc. La principale limitede la technique est l’absence de discrimination en profondeur, ce qui peut conduire àconfondre plusieurs structures superposées.

V - 3 ) Application médicale du Doppler pulsé

Au lieu d’une émission continue comme précédemment, on peut envoyer destrains d’onde. Le délai de réception de l’écho renseigne sur la profondeur de la structurevasculaire étudiée, alors que le décalage des fréquences renseigne sur la vitesse dufluide. Il s’agit d’un couplage entre une échographie en mode B et une étude Doppler.

Un premier réglage choisit la fréquence d’émission des impulsions (FRI :fréquence de répétition des impulsions). Un autre réglage électronique permet de choisirla profondeur du champ désiré, ainsi que l’épaisseur à analyser, c’est la choix d’une« porte ».

En couplant un échographe en temps réel et un appareil Doppler en modepulsé, on obtient une image tomographique en deux dimensions, « multiporte »,permettant d’étudier l’effet Doppler à toutes les profondeurs.

C’est le Doppler couleur, dernier perfectionnement actuel, qui fournit outreune coupe en temps réel, une image couleur par codage : les couleurs étant différentesselon le sens d’écoulement du fluide et leur intensité proportionnelle aux vitesses.

Les artères sont codées en rouge, les veines en bleu plus ou moins foncé enfonction de la vitesse, les zone de turbulences sont codées en vert (sténose).

VI PRINCIPALES INDICATIONS

Au cours de ce chapitre, on a put mettre en évidence l’extrême variété desapplications médicales de l’échographie. En simplifiant, on peut dire que tous lesorganes peuvent bénéficier de cette technique, sauf le squelette et le poumon.


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- en pathologie digestive :

recherche d’une lithiase vésiculaire, le calcul absorbant la totalité des ondesultrasonore crée le phénomène d’ombre acoustique.

études des voies biliaires intrahépatiques et du cholédoque dans le diagnosticd’un ictère rétentionnel.

étude du parenchyme hépatique : abcès, kystes, métastases, tumeurs primitivesbénignes ou malignes.

étude du pancréas : c’est un organe profond, l’interposition des gaz intestinauxpeut gêner la formation de l’image. Actuellement, la miniaturisation des sondes aconduit à l’échoendoscopie. Sous contrôle fibroscopique, la sonde est placée au contactde l’organe (cancer du pancréas, kyste et pseudo - kyste, pancréatite aiguë ouchronique)

- en pathologie urinaire :

étude du rein : cancer ou kyste, maladie polykystique, calcul urinairecalcul de la profondeur et de la taille des reinsétude des voies excrétrices : dilatation urétérale, calcul enclavé, syndrome de

jonctionprostate : prostatite, adénome, cancer. On utilise une sonde endorectale pour

améliorer la qualité des images.

Une indication particulière est la lithotrypsie. La concentration de plusieursfaisceaux très puissants d’ondes ultrasonores conduit à l’éclatement des calculs rénaux.Les fragments sont ensuite éliminés par voies naturelles, évitant une interventionchirurgicale.

- autres pathologies abdominales :

exploration de la rate (traumatisme), des surrénales, des adénopathies intra -abdominales.

étude de l’aorte thoracique : anévrisme ou dissection aortique

- gynéco - obstétrique :

diagnostic de toutes les masses pelviennes, étude des trompes et de l’utérus.

diagnostic et surveillance de la grossesse :

premier trimestre : détermination de l’âge gestationnel pourl’évaluation du terme

deuxième trimestre : étude de la morphologie fœtale, recherchedes anomalies cardiaques, rénales ou neurologiques

troisième trimestre : développement du fœtus, présentation,localisation placentaire.


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La détermination du sexe de l’enfant est possible, mais ce n’est pas uneindication médicale, sauf en cas de maladie génétique transmissible par leschromosomes X ou Y.

- organes superficiels :

Les sondes à hautes fréquences explorent avec précision le sein (nodule), lathyroïde (goître et nodules), le testicule, les muscles et tendons.

Ce catalogue des indications, incomplet car de nouvelles indications sontfréquemment découvertes, montre que l’échographie est, parmi les techniquesmodernes d’imagerie, l’examen le plus généraliste. Pratiquement aucune spécialitémédicale ne peut se passer des informations fournies.

La simplicité de mise en œuvre, le coût modéré des appareils, l’innocuité etl’absence de contre - indication expliquent la large diffusion des techniques d’imagerieultrasonores.

faculté de médecine de lille les ultrasons en...

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