Echographie et Ultra sons. Ondes ultra sonores Paramètres de londe US Interactions avec la matière...

Echographie et Ultra sons

Ondes ultra sonores Paramètres de l’onde US Interactions avec la matière Faisceau US Formation de l’image Séméiologie US Doppler

L’onde sonore

Les ondes sonores sont des ondes mécaniques se propageant dans les liquides et les solides.

Les US sont des ondes de pression se propageant en provoquant localement des variations de pression et des vibrations infimes de matière.

Paramètres de propagation de l’onde sonore

haute pression faible pression

Longueur d’onde

Fréquence = f = 1/T

Les particules du milieu étudié sont animées d’un mvt de va et vient ds l’axe de déplacement de l’onde ultrasonore : Analogie avec un ressort

Nature de l’onde sonoreMolécules compression dépression

Onde sonore

En observant la forme sinusoïdale de la figure ci-contre, et en se basant sur le modèle de l’onde progressive, on définit une onde sonore de propagation par:

temps

dépression compression

Var

iati

on d

e pr

essi

on

txkpp - sin 0

Tkoù

2 et 2

Domaine de l’onde sonoreL’oreille humaine perçoit les ondes sonores pour les fréquences f comprises entre 20 Hz (son grave) et 20000 Hz (son aigu).

Le domaine du son est beaucoup plus étendu : les vibrations sismiques, certaines machines, des hauts-parleurs de basses fréquences, émettent des fréquences en dessous de 20 Hz: ce sont les infrasons.

À l’autre extrémité, on retrouve les ultrasons.

20 kHz < f < 20 MHzUltrasons

20 Hz < f < 20 kHzSons audibles

f < 20 HzInfrasons

La célérité est la vitesse de propagation de la variation de pression dans le milieu.

Milieu Célérité (m/s)

air 343

graisse 1410 à 1470

foie 1535 à 1580

muscle 1545 à 1630

os 2100 à 4080

Dans les tissus mous, la célérité varie peu : valeur moyenne = 1540 m/seconde.

Paramètre 1 :

L’ impédance est la résistance d’un milieu à la pénétration d’une onde US. Elle traduit son aptitude

à reprendre se forme originale après déformation.

Z = impédance acoustique, compressibilité du milieu,

= masse volumique. Elle s’exprime en kg/m2/s.

z

Milieu Impédance Z exprimée en 106 kg/m2/s,en Rayleigh

Air 0,0004

Eau à 20° 1,48

Sang 1,61

Rein et Rate 1,62

Foie 1,63 à 1,67

Muscle 1,67 à 1,76

Os 3,65 à 7

L’ impédance conditionne la célérité de l’onde US. C = Z /

La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde.

Paramètre 2 :

f = 1 / T

Elle s’exprime en Hertz.1 Hz = 1 cycle/s

La longueur d’onde : est le nombre d’oscillations par seconde.

Paramètre 3 :

= c / f = c T

f = 10 MHz, = 0.15 mmf = 5 MHz, = 0.31 mmf = 2 MHz, = 0.77 mm

L’intensité acoustique est la quantité totale d’énergietraversant l’unité de surface par unité de temps.

Paramètre 4 :

avec I = intensité, p = pression acoustique, = masse volumique, c = céléritéL’intensité acoustique s’exprime en watts/cm2. A titre d’exemple, en échographie, l’intensité de l’onde acoustique est approximativement de 100 mwatts/cm2, alors qu’elle est de l’ordre de 1 à 3 watts/cm2 en physiothérapie.

c

pI

2

2

Intensité de l’onde sonore

L’oreille humaine est sensible à des intensités sonores allant de 10-12 W/m2 à 1 W/m2, soit un rapport de 1 à 1 000 000 000 000. Pour ramener cette large échelle d’intensités à une échelle plus réduite qui exprime mieux la sensibilité de nos oreilles aux variations de niveau sonore, on a adopté la notation logarithmique et créé le décibel (dB). 

Où I est l’intensité mesurée et I0 est une valeur de référence. Si l’on prend I0 égal à 10-12 W/m2,le seuil d’audibilité correspond à 0 dB.

0log 10

II

Interaction des ondes avec la matière :

Atténuation Réfraction / réflexion Diffusion

Atténuation

En se propageant, l’onde US cède une partie de son énergie au milieu traversé : il y a absorption de l’énergie ultrasonore et l’intensité du faisceau diminue.

Itransmise = I(l) = Ioexp (-l)

l = distance à la source, I0 = intensité initiale , = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence 

L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.

Si l’on compare 2 intensités I initiale et I transmise,

on définit l’atténuation A = 10 log (I transmise/ I initiale)

A s’exprime en décibels (db)= A / l en db / cm et = 10 / 2.3 Le coefficient d’atténuation varie selon le tissu

Tissus z en dB/cm/MHz

Sang 0,1

Graisse 0,5

Foie 1

Muscle 1,5

Os 10

Poumon 20

Le coefficient d’atténuation définit le pouvoir de pénétration du faisceau ultrasonore.  est proportionnel à la fréquence.

Quand la fréquence augmente, l’atténuation croît.

En première approximation, on peut considérer que pour les tissus mous, l’atténuation moyenne est de 1 dB/cm/MHz.

En fait, elle varie de 0,3 à 1,5 dB/cm/MHz

En pratiqueAtténuation

La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration :

2-3 cm10 - 12 MHz

5-6 cm7,5 MHz

10 cm5 MHz

> 15 cm2,5 - 3,5 MHz

Profondeur d'exploration

maximale

Fréquence des ultrasons

Réfraction / réflexion

Angle à 90 0Onde incidente

Onde transmiseOnde réfléchie

R = coefficient de réflexion, Ii = intensité incidente, Ir = intensité réfléchie,Z1 = impédance du milieu 1, Z2 = impédance du milieu 2.

12

1

2

2

2

ZZ

ZZ

I

IR

i

r

2

214 ZZT

I i

I t

2 1ZZ

Réfraction / réflexion

Angle autre que 90°

2

1

sin

sin

c

c

t

i

R = [(Z2cosi – Z1cost)/( Z2cosi + Z1cost)]2

T = 4 Z2 Z1 cosi cost/( Z2cosi + Z1cost)2

En pratique échographique, le phénomène de réfraction est généralement négligeable, car les différences de célérité des tissus biologiques sont faibles et les incidences utilisées

voisines de celles de la normale ( = 0).

Réflexion: graisse/peau

Zgraisse = 1.38 Zpeau = 1.62

1

,0064,994

2

214 ZZT

I i

I t

2 1ZZ

12

1

2

2

2

ZZ

ZZ

I

IR

i

r

Réflexion: air/peau

Zair= 0,0004 Zpeau= 1,62

1

.999.001

Dans cet exemple, les ultrasons se réfléchissent à 99,9%! L’amplitude transmise est quasi NULLE! Impossible alors de faire pénétrer les ultrasons à l’intérieur du corps humain de cette manière! De là, l’importance de mettre la surface émettrice du transducteur en CONTACT avec la peau des patients en utilisant une huile ou une gélatine dont l’impédance acoustique est voisine de celle de l’épiderme

Diffusion : émission dans toutes les directions d’une fraction de l’énergiepar des cibles de petite taille devant le longueur d’onde.

Bords des structures : réflexion aux interfacesEchostructure : diffusion

Principe de fonctionnement de la sonde

Le transducteur

Un transducteur est un élément qui transforme une forme d'énergie en une autre. Pour les sondes d'échographie, l'énergie électrique est convertieen ultrasons et vice versa. Le transfert d'énergie utilise l'effet piézoélectrique.

Principe de fonctionnement de la sonde

L’effet piézoélectrique

L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie.

Certains matériaux, comme les cristaux de quartz, ont la propriété de se charger lorsqu'ils sont comprimés et, inversement, de se déformer (comprimer) lorsqu'ils sont chargés.

Les transducteurs contenus dans les sondes d'échographie sont généralement des céramiques de Plomb Zirconate de Titane (PZT).

Principe de fonctionnement de la sonde

L’effet piézoélectrique

En appliquant un courant alternatif sur un cristal piézoélectrique, le cristal se comprime et se décomprime alternativement et émet un son dont la fréquence dépend des caractéristiques du cristal. Le même élément est utilisé pour transformer en courant électrique les ultrasons qui reviennent vers la sonde après avoir été réfléchis.

+++++

-----

Principe de fonctionnement de la sonde

L’effet piézoélectrique

La sonde n'émet donc pas des ultrasons en continu, mais en salves. Pendant le reste de temps, la sonde est "à l'écoute" pour capter les ultrasons.La durée des salves est très courte, de l'ordre de quelques microsecondes, et correspond à l'émission de 3 cycles environ en moyenne. La durée de la période d'attente est plus longue, de l'ordre de la milliseconde. La fréquence de répétition du cycle est donc de l'ordre du kHz, ce qui donne l'impression d'une imagerie en temps réel.

émetteur récepteur

Le faisceau ultrasonoref D

2f D

f D/2

etc ...

l

D

La zone de Franhofer : conique, elle est plus éloignée de la source. Le faisceau est divergent selon un angle . La divergence est inversement proportionnelle à la fréquence et au diamètre de la sonde.

La zone de Fresnel : cylindrique, son étendue dépend du diamètre du cristal, de la fréquence d’émission et de la célérité

l = longueur de la zone, D = diamètre de la source, f = fréquence

cf

D4

2 l

Df

c22,1sin

StationnaireSource f

StationnaireSource

f

vultrason

ct = 2d

c = 1540 m/s

vultrason

Formation de l’image : mesure de la distance

Ex : pour explorer 20 cm de pdfTemps de recueil des échos : t = 2d/ct = 260 sCadence de 1/ 260.10-6 = 3846/s

Formation de l’image : exemple du sonar

Séméiologie ultrasonore

Les liquides Les calcifications L’air Les parenchymes

Les liquidesanéchogènes +++

renforcement postérieur

Les calcificationshyperéchogènes +++

cône d’ombre postérieur

L’air : artefacts aériques

abcès avec formation de gaz

aérobilie

Les parenchymes

Le foie

Le rein

L’utérusVoie sus pubienneVoie endovaginale

Les ovaires

Le testicule

La prostateVoie sus pubienneVoie endorectale

La vessie

Echographie obstétricaleDg de grossesseDatation de la grossesseRecherche de malformationPosition du placenta

Echographie trans fontanellaire

Echographie mammaire

Echographie ostéo articulaireRupture partielle

d’un tendon extenseur

La thyroide

CavitésValvesDoppler

Echographie cardiaqueEchographie trans oesophagienne

Un prélèvement : une carotte.

Les biopsies

Le Doppler

Principe de l’effet doppler

La vélocimétrie par effet doppler est fondée sur la variation de fréquence

que subit un faisceau ultrasonore lorsqu’il estrétrodiffusé par des cibles en mouvement.

f = F réception – F émission

La différence de fréquence (F) est positive si la cible se rapproche de la source. (Fr > Fe)La différence de fréquence (F) est négative

si la cible s’éloigne de la source. (Fe < Fr)

En pratique médicale, F est comprise entre 50 Hz et 20 KHz. Il s’agit donc d’une fréquence audible.

Angle doppler

= l’angle qui existe entre le faisceau ultrasonore et l’axe de déplacement de la cible.

f = 2 Vfe cos /C

V = vitesse de la cibleC = célérité des ultrasons (1540 m/s)

fe = fréquence d’émission = angle entre le faisceau ultrasonore et l’axe des particules

Effet Doppler

V

f = fréquence de l’onde émisev = vitesse de la ciblec = vitesse de l’onde sonore dans le milieu = angle entre la ligne de “visée” et la direction du mouvement.

f c 2 fe cos

V =

Il faut être tangentau grand axe du vaisseau.

(cos 90° = 0)

La brillance traduit l’énergie,Elle augmente avec la densité de GR.

Le signal Doppler contient 4 informations :• la fréquence Doppler proportionnelle aux vitesses détectées• l’intensité proportionnelle à la quantité de particules produisant la fréquence doppler• la variation dans le temps des informations précédentes.• une information spatiale en cas d’utilisation d’un Doppler couleur

Spectre Doppler

Le Doppler pulséLe doppler pulsé utilise une sonde à cristal unique, émettrice et réceptrice.

Le transducteur émet de façon discontinue les impulsions ultrasonores de fréquence F.

La fréquence de répétition des impulsions est appelée PRF (Pulse Repetition Frequency).

Un système électronique pilote le délai émission-réception. Il est donc possible de déterminer la profondeur à explorer.

Pour un vaisseau profond, le délai entre l’émission et la réception est grand.

Le signal est enregistré et analysé pendant ce qu’on appelle une « fenêtre d’écoute » dans l’intervalle de temps qui sépare les émissions successives.

Le délai d’apparition traduit la profondeur du vaisseau. La fréquence propre est différente de la fréquence d’émission, car elle traduit la vitesse des particules par rapport à la sonde. Une imagerie par échographie pour identifier un vaisseau est associée au doppler pulséde façon à obtenir un enregistrement sélectif..

Émission F

Réception : F + f

Signal doppler f

fPRF 2

La fréquence de répétition du pulse (PRF = Pulse Repetition Frequency) est l’inverse de l’intervalle de temps séparant deux impulsions ultrasonores.

Pour observer un phénomène répétitif fréquentiel, la fréquence de l’échantillonnage doit être supérieure ou égale à deux fois la fréquence de ce phénomène.

Théorème de SHANNON

La PRF détermine le seuil critique des fréquences, c’est à dire des vitesses maximales détectables. Lorsque ce théorème n’est pas respecté, il se produit un phénomène de repliement spectral appelé « aliasing ».

Sous échantillonagepar la courbe pleine

Spectre artériel

Flux triphasique à haute résistance d’aval : aorte, carotidePic systolique, reflux proto-diastolique, flux diastoliqueFenêtre sombre sous systolique

Flux biphasique à basse résistance d’aval :Flux des vaisseaux à destinée parenchymateuseLes GR ont des vitesses différentes(rapides au centre du vx, plus lentes en le long des parois)

Pic systolique ample, décroissance lente avec vitesses diastoliques positivesAbsence de fenêtre sombre sous systolique

max.

min.max.

Vsyst

VtélédiastVsyst

Index de résistance

Spectre artériel

Spectre veineux

Flux continu modulé par la respiration (ex branche portale)

Les + : Quantification

vitesse, IRCouplage à d’autres technique (écho, dopler couleur ..)

Les - :Profondeur limitée P = C/2PRFAliasingVitesse maximale détectée limitée

Le Doppler pulsé

Le Doppler couleur

Généralisation du doppler pulsé, multiple fenêtres d’écoute, code couleur du sens du flux

En doppler couleur, les turbulences paraissent codées en vert ou en jaune.

Le Doppler couleur

Les + : Repérage anatomiqueLocalisation et sens du fluxRecherche de turbulence

Les - :Absences de données quantitativesAliasing

Le Doppler énergie

Intégration de l’amplitude totale du signal,sans analyse spécifique des fréquences,signal résultant intense.

Le Doppler énergie

Les + : Repérage anatomiqueDétection des petits vaisseauxPas d’aliasing

Les - :Absence de données quantitativesAbsence d’indication sur le sens du flux

Les limites de l’échographie

Les traitementsécho guidés

Bursite sous-acromio-deltoïdienne et tendinose du supra-épineux, sans rupture transfixiante.Infiltration de corticoides

Le traitement par radiofréquenceguidé par US

Générateur RF un courant sinusoïdal (F= 400-500 KHz ) qui mobilise les ions contenus dans le tissu traité : leur agitation est responsable d'une friction des particules entre elles, provoquant un échauffement des tissus qui conduit à une nécrose de coagulation. (le principe est superposable à celui des micro-ondes qui utilise une fréquence 10 fois plus élevée).

Mesure de la puissance du générateur (inférieure à 150 W), du courant, de la température à l'extrémité de l'électrode (arrêt automatique lorsque la température atteint 100 °C) et le temps d'application de l'énergie RF. Cette énergie est délivrée au tissu par une électrode, constituée par une aiguille fine (17 G), recouverte d'un isolant, à l'exception de son extrémité distale active.

L'électrode est placée dans la tumeur sous le contrôle de l'imagerie (US) ; le courant émane de son extrémité distale, dénudée (sur une longueur de 2 à 3 cm selon les électrodes) cette énergie, alors qu'elle tente d'atteindre la plaque neutre préalablement placée sur la cuisse du patient, est convertie en chaleur et au-delà de 60 °C la mort cellulaire est irréversible.

La destruction RF est douloureuse : neuroleptanalgésie avec anesthésie locale.

Le courant est délivré pendant une durée comprise entre 15 et 20 mn par nodule.

Une destruction thermique par RF du trajet de l'aiguille est effectuée lors du retrait de celle-ci (risque : essaimage).

Les Ultra sons en Thérapeutique : la chimiothérapie localisée

Des drogues toxiques, encapsulées se dirigeraient vers la tumeur, une onde ultra sonore les libéreraient et l’ efficacité serait optimale localement.

Les Ultra sons en Thérapeutique : le cancer de la prostate

L'Ablatherm® utilise la technique des ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU : High Intensity Focused Ultrasound) : une sonde, placée dans le rectum sous anesthésie locorégionale, permet d'envoyer des ultrasons qui, par leur concentration, provoquent une augmentation brutale de la température (85-100 degrés) détruisant ainsi le tissu situé dans la zone ciblée.

L’ ablatherm

Les Ultra sons en Thérapeutique : le fibrome utérin

L'ExAblate 2000Pendant le traitement avec l'ExAblate 2000, la patiente est allongée dans l'appareil IRM qui fournit des images tridimensionnelles du fibrome et des tissus environnants, permettant un guidage précis des ondes ultrasonores vers les tissus visés. Ces ondes sont dirigées au travers des tissus et, au point focal, vont provoquer une élévation de la température des tissus ciblés, entraînant leur destruction. L'IRM Signa de GE Healthcare permet de contrôler le résultat du traitement en mesurant en temps réel la dose thermique reçue par le tissu visé.