BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE L’ É CHOGRAPHIE

1. BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE L’ÉCHOGRAPHIE

2. 1- LES ONDES ULTRASONORES

3. LES ONDES SONORES • Représentation idéale de la propagation du son dans l’air Les US créent une vibration longitudinale des particules dans les tissus, sauf dans l’os (et dans les matériaux solides) où se forme une vibration transversale : force de cisaillement

4. LES ONDES SONORES • Représentation des ondes : transversale ou longitudinale déplacement de l’onde mouvement des particules onde long. onde transv.

5. LES ONDES SONORES • Caractérisation de l’onde : • la longueur d’onde (λ) :en mètres • la fréquence (F) : nombre de longueurs d’ondes (ou de cycles) par seconde : en Hz • la période (T) : temps de cycle: en sec • la célérité (C) : vitesse de propagation dans le milieu: en m/sec

6. LES ONDES SONORES • La fréquence (F) : • C’est le nombre de cycles par secondes (Hz) • 4 catégories de sons : • Infrasons : 0 - 20 Hz • Sons audibles : 20 Hz - 20 kHz • Ultrasons : 20 kHz - 1 GHz • Hyper-sons : > 1 GHz • En échographie, la gamme de fréquence d’émission utilisée varie de 1 MHz à 20 MHz (parfois plus)

7. LES ONDES SONORES • La longueur d’onde(λ) : • c’est la distance entre deux bandes de compression ou de raréfaction • c’est la distance, au sein d’une onde, qui inclue la totalité d’un cycle positif et d’un cycle négatif BUSHONG FIG 4-6

8. LES ONDES ULTRA-SONORES • La longueur d’onde(λ) : • dans un milieu donné, la longueur d’onde  varie avec la fréquence: • dans les tissus mous (C = 1540 m/sec) : • F = 0,77 MHz  = 2 mm • F = 2 MHz  = 0,77 mm • à fréquence constante, la longueur d’onde  varie avec la nature du milieu  = C / F (en mètres)

9. LES ONDES ULTRA-SONORES • Vitesse de propagation ou célérité (C) : • dans un milieu donné, C est constante, avec la relation suivante : C = F x  Corps humain: vitesse moyenne dans les tissus mous : 1540m/sec

10. Z = / (kg/m2/sec) LES ONDES ULTRA-SONORES • Notion d’impédance acoustique (Z) : • caractéristique acoustique du milieu • air Z = 0,0004 10-6 kg/m2/sec • eau Z = 1,48 10-6 kg/m2/sec • tissus mous Z = 1,63 10-6 kg/m2/sec • os Z = 3,65 -7,09 10–6 kg/m2/sec • elle conditionne la vitesse de propagation de l’onde US : densité ou masse volumique (kg/m3) : compressibilité C = Z / (m/sec)

11. LES ONDES ULTRA-SONORES • L’amplitude (A) de l’onde US : • différence entre la position d’équilibre et la maximum • représente le degré de déplacement des particules dans une direction seulement

12. LES ONDES ULTRA-SONORES • Puissance et intensité ultrasonore : • la puissance acoustique d’un système contrôle le niveau d’énergie déposée dans le milieu : en mW/min • on préfère utiliser la notion d’intensité ultrasonore qui dépend de la surface de section du faisceau : I = Puissance / surface de section ; en mW/cm2

13. LES ONDES ULTRA-SONORES • L’amplitude (A) de l’onde ultrasonore : • l’unité utilisée dépend de la variable acoustique considérée : • déplacement des particules : m ou µm • pression sur les particules : N / m2 • vitesse de déplacement des particules : m/sec • L’intensité(I) de l’onde ultrasonore : • elle est proportionnelle à l’amplitude : I A2

14. LES ONDES ULTRA-SONORES • Les décibels (dB) : • c’est un dixième de bel (du physicien AG Bell) • c’est l’unité utilisée pour comparer les intensités relatives de 2 faisceaux ultrasonores et exprimée en logarithme de base 10 • comme l’intensité est proportionnelle à l’amplitude au carré I : intensité du faisceau en un point Io : intensité initiale du faisceau dB = 10 Log (I / Io) dB = 20 Log (A / Ao)

15. LES ONDES ULTRA-SONORES • Les décibels (dB) : • valeur d’intensité relative permettant de comparer, par ex., les intensité émises et réfléchies: • Exemple : L‘intensité relative est : 10Log(I/Io) = 10Log(0,001/10) = 10Log10-4 = 10(-4) = - 40dB BUSHONG Fig 5-4

16. 2- LES PULSES ULTRASONORES

17. PULSE ULTRASONORE • Caractéristiques du pulse ultrasonore : • en échographie, on fonctionne en mode pulsé avec une intermittence entre émission et réception • fréquence • amplitude • durée • phase

18. 3- INTERACTIONS DES US AVEC LA MATIÈRE

19. INTERACTIONS US-MATIÈRE • L’échographie utilise le principe de la réflexion : l’image échographique est reconstruite à partir d’échos réfléchis par les interfaces tissulaires du corps • Mais elle est limitée par l’atténuation du faisceau : l’intensité du faisceau est progressivement réduite au fur et à mesure de sa pénétration dans les tissus

20. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • La réflexion du faisceau US : • c’est le phénomène principal à l’origine des images échographiques • la partie réfléchie R du faisceau constitue l’écho • la partie transmise T sera à l’origine de nouvelles réflexions plus profondes • la proportion R/T dépend de : • la nature du réflecteur • l’angle d’incidence • la différence d’impédance Z

21. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • Les différences d’impédance acoustique (Z) : • air Z = 0,0004 10-6 kg/m2/sec • eau Z = 1,48 10-6 kg/m2/sec • tissus mous Z = 1,63 10-6 kg/m2/sec • os Z = 3,65 -7,09 10–6 kg/m2/sec • Le % de réflexion à une interface peut-être calculée par : Z = C . (kg/m2/sec)(10-6) = Rayls %R = (Z2-Z1/Z2+Z1) 2 X 100

22. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Émission Réception

23. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » : • interfaces larges et lisses séparant deux milieux d’impédance acoustique différente : par exemple la paroi antérieure de la vessie • la réflexion à la sonde dépend ici de l’angle d’incidencei (i = r = t) • pour obtenir un écho à la sonde, il faut que i soit < 5°

24. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » :

25. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • Réflexion sur des réflecteurs dits « non-spéculaires » : • soit des interfaces plus petites que la longueur d’onde • soit des interfaces rugueuses et très irrégulières • s’accompagne d’un phénomène de diffusion pluri-directionnelle (cf) • la réflexion à la sonde ne dépend pas de l’angle d’incidence et est appelé « rétro-diffusion » (back-scattering) BURNS FIG 5

26. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion • L’effet de rétro-diffusion dans les tissus : • se renforce grâce au phénomène « d’interférences positives » • ce phénomène donne naissance au « speckle » d’une image • il caractérise « l’ échogénicité » et « l’écho-texture » de chaque tissu

27. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation • L’atténuation du faisceau US : • définie comme la réduction d’intensité d’un faisceau US au cours de sa progression dans le milieu • elle dépend du milieu traversé et de la F du faisceau • elle est exprimée en décibels (dB) • Le coefficient d’atténuation (): • il exprime le degré d’atténuation par différents tissus d’un faisceau US (caractérisé par sa F), en fonction de l’épaisseur traversée • elle est exprimée en dB/cm/MHz

28. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation • L’atténuation du faisceau US dépend de 6 types d’interactions : • l’absorption interaction directe milieu / faisceau • la réfraction • la diffraction • la diffusion interactions interfaces sur le faisceau • les interférences • la réflexion

29. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation • L’absorption de l’énergie par le milieu : • elle obéit à une loi exponentielle : elle imposera, en retour, une correction logarithmique du gain pour compenser cette perte d’intensité µ : coefficient d’absorption X: distance à la source I = Ioe -µX

30. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation • La réfraction du faisceau US : • Loi de Snell: sin 1= C1 sin 2 C2 BUSHONG FIG 6-4 1: angle incident 2: angle transmis C1: célérité dans le milieu 1 C2: célérité dans le milieu 2

31. INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation • La diffraction du faisceau US : • c’est la dispersion progressive du faisceau avec sa progression dans les tissus : son augmentation augmente l’atténuation • elle augmente avec la diminution de la taille de la source BUSHONG FIG 6-7

32. 4- LE FAISCEAU ULTRASONORE

33. FAISCEAU ULTRASONORE • Forme du faisceau: phénomène de divergence • le plan du front d’ondes présente deux régions distinctes: • le champ proximal à front plat : la zone de Fresnel • le champs distal à front convexe : la zone de Fraunhofer • la qualité d’image optimale se situe dans la zone de transition : c’est la distance focale, caractéristique de chaque sonde

34. FAISCEAU ULTRASONORE • Lobes accessoires : • dans les sondes multi-éléments • générés par les éléments les plus latéraux • intensité faible (1% ou –20db / centre)

35. FAISCEAU ULTRASONORE • Forme du faisceau: il dépend aussi du type de sonde : • sondes mono-élément : • fixe (crayon) : balayage manuel • mobiles : balayage mécanique temps réel • sondes multi-éléments : • annulaires : anneaux concentriques • barrettes de cristaux : linéaires ou courbes

36. FAISCEAU ULTRASONORE • Varie selon le type de sonde : cristal plat unique cristal annulaire cristaux multiples

37. 5- LA FOCALISATION DU FAISCEAU ULTRASONORE

38. EFFET DE LA FOCALISATION • Objectif : amélioration de la résolution spatiale résolution latérale résolution en épaisseur résolution spatiale latérale et en épaisseur sont maximales en zone de focalisation +++

39. FOCALISATION DU FAISCEAU • Sondes mécaniques : la focalisation mécanique est bi-D céramique à face concave dans 1 ou les 2 directions lentille acoustique convexe à faible célérité

40. FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation mixte des barrettes électroniques BUSHONG FIG 11-22 focalisation électronique et réglable dans le plan de coupe focalisation mécanique et fixe dans l’épaisseur de coupe

41. FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation dans l’épaisseur de coupe des sondes barrettes : elle est mécanique et fixe

42. FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation dans le plan de coupe des sondes barrettes : elle est électronique et réglable en profondeur BUSHONG FIG 11-21

43. FOCALISATION DU FAISCEAU • Diminution de l’épaisseur du faisceau US : sonde matricielle 1,5D

44. FOCALISATION DU FAISCEAU • Diminution de l’épaisseur du faisceau US : lentille « Hanafy »

45. FACTEURS DE RESOLUTION SPATIALE • Résolution en épaisseur s’améliore avec : • la focalisation en épaisseur • la diminution de la taille du transducteur • Résolution latérale s’améliore avec : • la focalisation latérale • la diminution de la taille du transducteur • l’augmentation de la fréquence (moins de divergence) • Résolution axiale s’améliore avec : • la diminution de la longueur du pulse : • l’augmentation de la fréquence • un amortisseur de sonde dont Z est proche de Z élément

46. RESOLUTION AXIALE • Dépend de la longueur spatiale du pulse (SPL) AR = ½ SPL =  / 2 . nombre de cycles résolution axiale en mm

47. RESOLUTION AXIALE • La longueur du pulse dépend de : • la fréquence de la sonde • l’amortisseur de la sonde

48. 3- LES SONDES ULTRSONORES

49. SONDES ULTRASONORES • Phénomène de piézo-électricité : • les cristaux piézo-électriques contiennent des dipôles BUSHONG FIG 7-2 Repos: orientation aléatoire Courant : orientation et dilatation Polarité inverse: orientation inverse et contraction

50. SONDES US : Piézo-électricité compression du cristal => ddp courant positif => dilatation du cristal BUSHONG FIG 7-3 courant alternatif => vibrations sinusoïdales => US