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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
