Imagerie Ultrasonore (Plan)

1. Imagerie Ultrasonore (Plan) I. Propagation 1. Introduction 2. Interactions réflexion diffusion atténuation 3. Résolution et profondeur d ’exploration

2. Imagerie Ultrasonore (plan) II. Obtention du signal et de l ’image échographiques 1 - Effet piézo-électrique - Transducteurs 2 - Principe de formation de l ’image 3 - Modes échographiques 4 - Résolution axiale 5 - Résolution latérale 6 - Barrettes multiéléments et focalisation 7 - Modes de balayage III. Autres applications 1 - Vélocimétrie 2 - Produits de contraste

3. INTRODUCTION 1965 : Apparition des premiers échographes à usage médical…. • Application à de nombreux domaines • obstétrique • cardiologie • radiologie • dermatologie, ophtalmolgie, … Avantages de l'échographie • non ionisante • rapide (temps réel) • peu coûteuse

4. Principe général de l ’échographie 1- Emission Onde de pression incidente Cible 2 - Réception Echo

5. 6 8 1O 1O Hz Applications médicales 1MHz 100 MHz Echelle de fréquence 0 50 20000 Infrasons Ultrasons Sons

7. E 1 = = c r r K Caractéristiques du milieu de propagation Densité 3 r ( ) kg/m Elasticité E ( Pa) -1 compressibilité (Pa )) K=1/E ( Célérité (m/s) Impédance acoustique r Z= c (Rayleigh) Atténuation : a(f)

8. Interaction des ultrasons / milieu biologiques 1 - Réflexion spéculaire c1,Z1 c2,Z2 Onde incidente Onde transmise Onde réfléchie Interface

9. Interaction des ultrasons / milieu biologiques Réflexion /réfraction c1,Z1 c2,Z2 Onde incidente Onde transmise Onde réfléchie

10. Plus DZ =Z2 -Z1 , plus l'énergie réfléchie est importante Réflexion spéculaire La réflexion des ultrasons aux interfaces donne les limites anatomiques des organes. interface tissu mou/tissu mou : proportion d’énergie réfléchie est faible (moins de 1%)

11. Impédance dans les tissus biologiques Milieu Eau Air Sang Graisse Foie Muscle Peau Os cortical Impédance (MRayl) 1.48 4.40 10- 4 1.66 1.35 1.65 1.70 7.00

12. interface tissu mou/air : réflexion de l’onde incidente est quasiment totale (99.9%) poumons et tube digestif =obstacle interface tissu mou/os : réflexion de l’onde incidente est importante (environ 40%) squelette (côtes, crâne) = obstacle Réfraction généralement peu importante sauf voisinage air et os

13. Cône d ’ombre acoustique en cas de réflexion très intense (os, air, calcification) Ztissu Zobstacle

14. Interaction des ultrasons / milieu biologiques 2 - Diffusion c2,Z2 Onde diffusée L ’énergie diffusée qui revient vers l ’arrière est rétrodiffusée

15. 1 diffuseur unique très petit devant l Ii Ii:Intensité incidente (W/cm2) Pd : Puissance diffusée (W) sd : section efficace de diffusion (cm2) sd mesure la capacité de la cible à diffuser l’onde

16. Intensité rétrodiffusée reçue (Ir) à la distance z de la cible comme z section efficace de rétrodiffusion

17. Diffusion L'échostructure des tissus est due aux échos diffusés par les petites cibles diffusantes. Espace liquidien (kyste) vide d'échos (anéchogène) L'intensité du signal diffusé dépend de la taille, du nombre de diffuseurs et de leur variation de densité et compressibilité Diffusion par le sang (GR)  effet Doppler

19. Atténuation en dB proportionnelle à x = a A ( dB ) x ( dB / cm ) ( cm ) a = a 4 . 34 - ( dB / cm ) ( cm 1 ) Atténuation en décibels - a x = I ( x ) I e 0 I ( x ) 10 I ( x ) = A(dB)=10 log Ln I Ln 10 I 0 0 I ( x ) 10 = - a = - a x 10 log 4 . 34 x I Ln 10 0 = a A 4 . 34 x ( dB )

20. cm-1.MHz-1

21. L'atténuation en décibel est proportionnelle à la fréquence et à la distance parcourue A (dB ) = a x = b fx dB/cm dB/cm.MHz

22. Tissu b (dB cm-1 MHz-1) Peau 2-4 en moyenne b= 1 dB/MHz.cm (dépend de la nature des tissus) Eau 0 Sang 0.2 Os cortical 5 Graisse 0.8 Foie 0.6-0.9 Muscle 0 .5-1.5

23. atténuation Zone de plus faible atténuation Renforcement postérieur en cas de zône d ’hypoatténuation (kyste liquidien) atténuation

24. Réflexion spéculaire Absorption diffusion Echos Echos Chaleur rétrodiffusés réfléchis Pd=f(dk,dr) Pr=f(DZ) Thérapie Image Energie ultrasonore incidente

25. RESOLUTION / PROFONDEUR Limite théorique de résolution est donnée par la longueur d'onde (l=c/f) 1 - La résolution est meilleure quand la fréquence augmente progrès  augmentation de fréquence 2 - L'atténuation est proportionnelle à la fréquence  La profondeur d’exploration diminue quand augmente la fréquence COMPROMIS Résolution / Exploration

26. Échelle de fréquence/longueur d'onde/ profondeur de pénétration 1MHz 20 MHz 10 MHz 100 MHz 1.5 mm<l<150µm 150µm<l<75µm 75µm<l<15µm Applications Abdomen (3.5 MHz) Œil (10 MHz) Peau (20 MHz) Cou, pédiatrie Endocavitaire Endovasculaire Muscles/tendons (7.5-12 MHz) (30-50 MHz) (5-7.5 MHz) Œil (80 MHz)

27. Echographie de l ’œil à 80 MHz (haute fréquence) 500 µm

28. 2t1 3t1 Plusieurs échos Images Réflexions multiples z1 t 0 t1

29. Effet Piézoélectrique L ’élément actif ou transducteur est constitué d’une lame (qq 1/10 èmes de mm d ’épaisseur) de matériau piézoélectrique recouvert d ’électrodes métalliques permettant de transmettre et recueillir l ’énergie électrique) ex : le quartz (SiO2)

30. + + + + + + - - - d.d.p. - - - - - - - - - 1 - Effet direct : Phase de réception des ultrasons Contrainte + + + + La déformation du matériau sous l’effet d ’une contrainte extérieure (onde ultrasonore) produit un déplacement des centres de gravité électriques en sens inverse et la polarisation du matériau

31. 2 - Effet inverse : Phase d ’émission des ultrasons + + + + + + + + + + Générateur électrique Déformation d.d.p. - - - - - L ’application d ’une d.d.p. rompt l ’équilibre des charges et la séparation des centres de gravité électriques. La contrainte qui en résulte provoque la variation de l ’épaisseur et l ’émission d ’une onde.

32. Différents modes d’excitation des sondes (mode émission) 1- Excitation continue k m t t Excitation électrique sinusoïdale fréquence f0 Réponse mécanique sinusoïdale forcée f0 f0 f Spectre en fréquence

33. Différents modes d’excitation des sondes (mode émission) 2- Excitation impulsionnelle t t Excitation électrique impulsionnelle Résonance mécanique amortie frés frés f Spectre en fréquence

34. Effet Piézoélectrique Matériaux piézoélectriques: Fréquence de résonance : dépend de l ’épaisseur de la lame piézoélectrique avec e : épaisseur de la lame piézo cp : vitesse du son dans la lame

35. Mode A (A=Amplitude) z c Cible d.d.p a t 0 t Temps de vol La mesure de distance est possible La précision est limitée par la variation de vitesse dans les tissus

36. Célérité / Impédance dans les tissus biologiques Milieu célérité (m/s) Eau 1480 Air340 Sang 1566 Graisse 1460 Foie 1560 Muscle 1600 Peau 1700 Os cortical4000 Impédance (MRayl) 1.48 4.40 10- 4 1.66 1.35 1.65 1.70 7.00 Tissus mous c=1540 m/s ~ cste

37. Diffusion Réflexion Amplitude du signal Capteur piézo sensible à la pression Signal Echo ultrasonore Amplitude du signal Pression acoustique Conversion Voltage Signal électrique Amplitude du signal : réflectivité de la cible

38. Amplification variable en profondeur Gain (dB)=4.34a ct Gain=e+act Compensation d’atténuation en profondeur d.d.p t I(z)=I0e-2az comme 2z=ct I(z)=I0e-act 0

39. = b Gain ( dB ) 4 . 34 fct Compensation de gain Exprimer la pente du gain en dB/µs en fonction de la pente du coef. b d'atténuation . Þ en MHz f en cm/µs c (c=1500 m/s=1,5mm/µs=0.15 cm/µs) en µs t

40. représente l'amplitude du signal en fonction du temps Le signal est redressé et filtré Mode A (A=Amplitude) Faisceau Cibles 0

41. Echelle de gris Ligne d ’écran Images Mode B (B=brillance) Faisceau Cibles 0

42. émission Echelle de gris Signal reçu enveloppe temps signal radio fréquence (MHz) Mode A (A=Amplitude) Mode B (B=brillance) Modes échographiques

43. Formation de l ’image balayage du faisceau Tir N°1 Tir N°2 Tir N°3 Tir N°4 Visualisation

44. Tr Ecoute Ecoute Ecoute Formation de l ’image Séquence de tirs ultrasonores Impulsion excitation t Ecoute Tr = Période de répétition Fr = 1/Tr Fréquence de répétition des tirs

45. FORMAT D ’IMAGE Image « sectorielle » Image « rectangulaire » Image d ’un plan de coupe : écho-tomographie

46. A-Scan Profondeur d ’exploration B-Scan

47. Mode A (A=Amplitude) Le mode échographique A représente l'amplitude du signal en fonction du temps Mode B(B=brillance) La position d'un point sur l'écran dépend à la fois du temps de vol de l’écho et de la position de l'axe de tir ultrasonore correspondant. L'amplitude des échos fixe le niveau de gris.

49. z z 1 2 D z D t 0 t t t 1 2 Résolution axiale Définition : distance minimale séparant deux cibles sur l’axe pour que leurs images soient séparées.

50. a - les deux cibles sont résolues Dz Dt 0 t t