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23/11/2009 1 Dispositifs d'imagerie médicale Echographie Intervenant : F. Rousseau [email protected] Echographie Principe de l’échographie Envoi d’une onde ultrasonore Analyse du signal réfléchi Utilisation Diagnostic Thérapeutique

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  • 23/11/2009

    1

    Dispositifs d'imagerie mdicale

    Echographie

    Intervenant : F. Rousseau

    [email protected]

    Echographie

    Principe de lchographie

    Envoi dune onde ultrasonore

    Analyse du signal rflchi

    Utilisation

    Diagnostic

    Thrapeutique

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    Echographie

    Comment voir mieux ?

    Comment voir plus ?

    Comment voir des organes considrs inaccessibles jusqu maintenant ?

    Bref historiqueDate Dcouvreur Fait

    1822 Colladon Propagation des sons dans leau

    1840 Doppler Effet Doppler

    1877 Rayleigh Publication de Theory of sound

    1880 Frres Curie Effet pizolectrique

    1915 Langevin Propagation des ultrasons

    1950s Wild, Leskell puis Donald Echographie diagnostique

    1987 Utilisation du Doppler couleur

    1990s Echographie 3D

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    Plan

    Physique

    Ralisation

    Les autres chographies

    Plan

    Physique

    Les ultrasons

    Interaction avec la matire

    Focalisation

    Ralisation

    Les autres chographies

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    Les ultrasons (US)

    Ondes acoustiques

    Ondes lastiques ( lectromagntiques)

    Phnomne mcanique

    Vibrations matrielles

    Equation de propagation:

    Les ultrasons (US)

    Classification selon la frquence

    Infra-sons : f < 20 Hz

    Sons audibles : 20 Hz < f < 20 KHz

    Ultrasons : 20 KHz < f < 500 MHz

    Hyper-sons : f > 500 MHz

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    Les ultrasonsFrquence applications

    0.5 MHz Ostodensitomtrie

    1 MHz Echo-encphalographie mode A

    2.25 MHz Echo abdominale (sujets corpulents)Doppler trans-crnien

    3.5MHz Echo abdominaleEcho cardiaque

    4 MHz Doppler vaisseaux priphriques

    5 MHz Tissus superficielsEcho abdominale (sujets minces)Thorax, seins, testicules, gyncologie, thyrode, cerveau de nouveau-n

    7.5 - 10 MHz Tissus trs superficielsOeil, hanche du nouveau-n, sein, thyrode

    12 20 MHz Biomtrie en mode A (ophtalmologie)

    1 10 GHz Microscopie ultrasonore

    Les ultrasons

    Vitesse de propagation : c2 = E /

    avec E et : lasticit et densit du milieu

    uniforme dans les tissus mous ( 1540 m/s)

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    Les ultrasons

    Limpdance : Z2 = / ou Z = c

    : compressibilit

    Exprime le comportement dun milieu matriel vis--vis des US

    Frquence et longueur donde : = c / f

    3 MHz < f < 12 MHz

    Longueur donde : pouvoir de rsolution

    Rmq: f constante, varie avec la nature du milieu

    Interactions avec la matire

    Absorption Rflexion

    Rfraction Diffusion

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    Interactions avec la matire

    Absorption : I(x) = I0 e-x avec proportionnel f2

    Rflexion : R = (Z2 Z1)2 / (Z2 + Z1)2

    6% pour 1 interface foie/rein

    40% pour 1 interface tissus mous / os

    Interactions avec la matire

    Rfraction : sin t / sin i = c2 / c1

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    Interactions avec la matire

    Diffusion d : taille de linterface

    3 types de diffusion: d >> : rtro-diffusion

    d : diffusion antgrade

    d

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    Interactions avec la matire

    Retour sur le principe de lchographie Utilisation de la rflexion des ondes US

    Limitations : diffusion, rfraction, absorption et rflexion !

    Comment diriger les ondes US ?

    Le faisceau ultrasonore

    Diriger les ondes US

    Londe US peut se dplacer dans toutes les directions de lespace (onde sphrique)

    Pour obtenir un faisceau (onde directionnelle), il faut que < dimension de la source

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    Morphologie du faisceau US

    Champ proche

    Longueur : L = D2 / 4 avec D diamtre de la source

    Champ lointain

    sin = 1.22 /D

    Morphologie du faisceau US

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    Le diagramme de rayonnement

    Commentaires de traiteurs de signaux ?

    La focalisation

    Cas idal

    Focalisation idaleFront donde sphrique

    Focalisation pratiqueR F / a

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    La focalisation

    Ralisation pratique : cration dun front donde sphrique

    Transducteur sphrique

    Lentille

    Focalisation lectronique

    La focalisation mixte

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    La focalisation mixte

    Focalisation mcanique et fixe dans lpaisseur de coupe

    La focalisation mixte

    Focalisation lectronique et variable dans le plan de coupe

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    La focalisation

    Combinaison de plusieurs focales -> baisse de rsolutiontemporelle

    Focalisation en mission ET en rception

    Emission Rception

    Plan

    Physique

    Ralisation

    La sonde

    Leffet pizo-lectrique

    Mode dacquisition

    Formation de limage

    Les artefacts

    Les autres chographies

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    La sonde

    Points clefs:

    Elle conditionne la qualit de limage

    Cest la fois un metteur et un rcepteur

    Elle transforme limpulsion lectrique en onde Us et inversement

    Choix de la frquence

    Type de la sonde

    Leffet pizo-lectrique

    Les centres de gravits sont confondus Les centres de gravits sont dissoccis

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    Leffet pizo-lectrique

    Soit une force F = P S, applique sur les 2 faces du cristalpizo-lectrique : Cration dune tension pizo-lectrique U

    Effet pizo-lectrique direct U = k P

    Et inversement, soit une tension U applique au cristal pizo-lectrique : Cration dune dformation du cristal et dune pression P,

    Effet pizo-lectrique inverse : P = k U

    Leffet pizo-lectrique Pizo-lectricit

    Dcouverte en 1880 par les frres Curie Naturelle (cristaux tel que le quartz), Artificielle (polarisation des matriaux ferrolectriques)

    Matriaux pizo-lectriques : Cristaux, Cramiques, Polymres, Composites

    2 Caractristiques importantes : Constante de couplage kt : aptitude convertir lnergie lectrique en

    nergie mcanique, et inversement Impdance Z : doit tre proche de celle des tissus biologiques

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    Modes dacquisition

    Mode A (amplitude) Visualisation 1D de lamplitude du signal recueilli par la sonde en

    fonction de la profondeur

    Mode B (brillance) Luminosit du point en fonction de lamplitude de lecho. En mode

    2D, on obtient une image US.

    Mode TM (temps-mouvement) Reprsentation des variations 1D de la position et de la brillance des

    chos en fonction du temps

    Modes dacquisition

    Mode A

    Mode B

    Mode TM

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    Modes dacquisition

    Balayage du plan de coupe (mode B)

    Barrette droite

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    Balayage du plan de coupe (mode B)

    Barrette courbe (sonde phased-array)

    Formation de limage

    Traitements la rception Amplification, dmodulation et redressement

    Numrisation

    Interpolation (balayage sectoriel)

    Adaptation du signal chographique la visualisation :

    compenser l'attnuation des ultrasons en fonction de la profondeur traverse

    adapter la dynamique du signal chographique

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    Formation de limage

    Compenser lattnuation :

    Dynamique la reception 100 110 dB

    Attnuation 70 dB

    Phnomne dabsorption : I(x) = I0 e-x

    Gain de lamplificateur : G(x) = G0 et

    Signal de sortie : S(x) = G0I0 et -x

    Formation de limage

    Adaptation de la dynamique

    Dynamique du recepteur : 120dB

    Dynamique dun cran : 30dB

    On effectue une compression logarithmique

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    Rsolution de limage US

    Rsolution : capacit distinguer deux points objetsdiffrents

    Rsolution axiale (0.1 1mm)

    Rsolution latrale (1 5mm)

    Epaisseur (2 12mm)

    Rsolution temporelle

    Artefacts en mode B

    3 types dartefacts

    chos absents

    Echos surajouts

    Dformations de limage

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    Artefacts en mode B

    chos absents

    Cnes dombre de sparation

    Cnes dombre des parois latrales

    Artefacts en mode B

    chos surajouts

    chos retardataires

    Artefacts des lobes secondaires

    Artefacts en mirroir

    Effet de volume partiel

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    Artefacts en mode B

    Dformations de limage

    Artefacts de vlocit

    Images de ddoublement

    Artefacts en mode B

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    Artefacts en mode B

    Artefacts en mode B

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    Plan

    Physique

    Ralisation

    Les autres chographies

    Lchographie 3D

    Lchographie Doppler

    Limagerie non linaire

    Elastographie

    Densitomtrie osseuse

    Lchographie interventionnelle

    Lchographie 3D

    But : Obtenir une information 3D

    Amliorer les mesures (prcision et reproductibilit)

    Eliminer la dpendance loprateur

    Permettre un meilleur suivi des patients

    Applications Tlmdecine, analyse volumique, proposer plus de modes de

    visualisation, chirurgie assiste, systmes de ralit augmente

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    Lchographie 3D

    Lchographie 3D

    Acquisition des donnes

    3 systmes :

    Sondes 3D, systmes balayage mcanique, systmes main-libre

    systmes balayage mcanique

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    Lchographie 3D

    Acquisition des donnes

    Systmes main libre

    Sondes classiques

    Localisateur

    Lchographie 3D

    Exploitation des donnes

    Reconstruction 3D Segmentation puis reconstruction Reconstruction volumique directe

    Composition (compounding) Recalage et fusion des donnes Composition des faisceaux US (en temps rel)

    Visualisation Plans de coupe Rendu surfacique Rendu volumique

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    Lchographie Doppler

    Imagerie fonctionnelle tude non-invasive des vaisseaux

    Principe : f = fr-fe = 2feV cos / c fe : frquence dmission

    fr : frquence de rception

    V : vitesse des lments

    c : vitesse du son

    : angle dincidence

    Doppler continu

    f = fr-fe = 2feV cos / c

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    Doppler continu

    Utilise 2 cristaux (mission et rception)

    Le faisceau incident rsulte de la sommation de tous les flux rencontrs

    Avantages Simple, pas cher Pas dambiguit de vitesse trs sensible (aux flux lents) aucune limitation de quantification de frquences

    Inconvnients : Ambiguit en profondeur

    Doppler puls

    f = fr-fe = 2feV cos / c

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    Doppler puls

    Pulse Repetition Frequency : PRF = c / 2d

    d: profondeur du vaisseau

    Avantages

    Focalisation possible sur le vaisseau tudier (couplage analysedoppler et tude cho mode B)

    Inconvnients

    Ambiguit frquentielle

    Ambiguit spatiale

    Analyse du signal

    Signal auditif

    Analyse spectrale

    Temps rel (FFT)

    + Encodage couleur

    Rouge : se rapproche de la sonde

    Bleu : sloigne de la sonde

    Saturation : valeur des frquences

    Rglages

    PRF, Gain, choix de

    Temps (sec)

    Frquence (Hz)

    Energie

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    Doppler Exemple daliasing

    Thorme de Shannon : PRF 2 f

    Autres modes Doppler Doppler nergie (ou angiopuissance):

    Principe : visualisation de lamplitude du signal But : visualiser les vaisseaux Avantages : indpendant de , pas daliasing, sensibilit + leve aux flux Inconvnients : notion hmodynamique perdue, faible cadence des images

    Vlocimtrie couleur: Mesurer t = 2TV cos / c t : dcalage temporel, T : intervalle entre 2 tirs Avantages : indpendant de fe, bonne cadence image, meilleure rsolution

    spatiale, aliasing moins important

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    Agents de contraste

    But : rhausser le signal

    Principe : injection dun liquide contenant des microbulles de gaz

    Utilisations : Rendre le sang hyperchogne (visualisation des vaisseaux)

    Le produit de contraste s accumule dans lorgane dintrt

    Limagerie US non linaire

    Points de dpart : Rponse non-linaire des bulles gazeuses dans un champ

    acoustique

    Prsence de hautes harmoniques de la frquence fondamentale incidente dans le signal ultrasonore rtrodiffus aprs interaction avec une bulle

    Utilisations Mode B

    Mode Doppler

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    Limagerie US non linaire

    Limagerie US non linaire

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    Limagerie US non linaire

    Limagerie US non linaire

    Points clefs

    Calibrage des microbulles (frquence de rsonance, ie taille des microbulles)

    Formation de limage

    Capteurs large bande

    2 approches : filtrage frquentiel et inversion de phase

    Les lobes latraux ne contribuent pas la formation dharmoniques : meilleure rsolution latrale

    Lintensit augmente avec la profondeur mais demeure limite par lattnuation

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    Limagerie US non linaire

    Applications

    Imagerie non destructive

    Sans produit de contraste : meilleur contraste, profondeurdexploration importante

    Avec produit de contraste : angiographie ultrasonore dynamique temps rel

    Imagerie destructive

    Rupture provoque des parois des microbulles pour la dtection de lsions intra-hpatiques

    Llastographie

    Imagerie quantitative des paramtres lastiques des tissus

    Module de Young

    Rigidit dun matriau

    Dans les tissus mous, E(K,) 3

    : module de cisaillement

    K : module de compression

    Spcifique pour la dtection de nodules durs

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    Llastographie

    Llastographie statique Application dune contrainte calibre

    Llastographie impulsionnelle Utilisation de vibrations basse frquence (10 200Hz)

    Vitesse des ondes de cisaillement : cs = (/)1/2

    Succession de tirs ultrasonores une cadence leve (5000 tirs par seconde) pour suivre les ondes de cisaillement

    Post-traitement (analyse du mouvement) pour obtenir lvolution de la dformation du milieu

    Densitomtrie osseuse

    Os et US:

    Los rflchit et absorbe fortement les ultrasons

    But :

    mesurer les proprits acoustiques de los

    Principe :

    Analyser la transmission d'une onde ultrasonore de basse frquence (250 kHz 1,25 MHz)

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    Densitomtrie osseuse

    Transmission transverse

    L'attnuation de l'os varie quasi linairement en fonction de la frquence

    Mesurer la pente de la droite de rgression

    Radiographie

    Pente de lattnuation enfonction de la frquenceUS

    Echographie interventionnelle

    Exemple : guidage pour biopsies

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    Conclusion

    Lchographie est utilise dans de nombreuses spcialits

    + : Temps rel, modalit non invasive, rsolution

    - : artefacts, qualit dimage

    Lchographie se dcline sous plusieurs variantes

    Complmentarit avec les autres modalits

    Sources JM. Bourgeois, M. Boynard, P. Espinasse : Limage par lchographie. Sauramps

    Medical, 1995.

    C Grataloup-Oriez, A Charpentier : Principes et techniques de l'chographie-doppler, Elsevier, 1999.

    Documents disponibles sur internet http://naxos.biomedicale.univ-paris5.fr/diue

    http://www.med.univ-rennes1.fr/cerf/edicerf/BASES/BA003_idx.html

    http://fr.wikipedia.org

    Cours dElsa Angelini (ENST)

    Cours de F. Tranquart (Tours), N. Grenier (Bordeaux)

    http://www.ob-ultrasound.net

    P. Laugier, M. Tanter, E. Bossy,J-F. Aubry: Ultrasons : de la physique fondamentale la mdecine

    L. Hermoye, E. Danse : Echographie : Principes et techniques

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    Comparaison des sondes

    Critres Classique Annulaire Linaire Plane Radiale

    Image Secteur Secteur Rectangle Secteur Secteur

    Frquence 3.5-10 3.5-10 3.5-10 < 5 < 7.5

    TRI 30 im/s 30 im/s 150 im/s 150 im/s 150 im/s

    X 5MHz 21cm 21 cm 24 cm 18 cm 18 cm

    Fentre Petite Petite Trs large Moyenne Petite

    Focalisation Mcanique lectronique lectronique+ mcanique

    lectronique+ mcanique

    lectronique+ mcanique

    Fiabilit +/- +/- ++ ++ ++

    Rso axiale ++ ++ ++ ++ ++

    Rso latrale - ++ + - ++

    Rsotransversale

    + ++ +/- - ++

    Doppler Non Non Oui Non Oui