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L’ONDE ULTRASONORE PROPRIETES PHYSIQUES SEMIOLOGIE ET ARTEFACTS GULLO GIUSEPPE AVRIL 2007

L’ONDE ULTRASONORE PROPRIETES PHYSIQUES …files.chuv.ch/internet-docs/rad/techniciens/rad_trm_us... · Muscle 1550 - 1630 Peau 1600 Cerveau 1530 Eau 1480 Air 340 Sang 1566 Os spongieux

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L’ONDE ULTRASONORE PROPRIETES PHYSIQUES

SEMIOLOGIEET

ARTEFACTS

GULLO GIUSEPPE AVRIL 2007

PROPRIETES PHYSIQUES

Les catégories de son

• Les sons sonts classifiés en quatrecatégories, selon leur fréquence:

Infrasons 0-20 HertzSons audibles 20 Hz-20 kHzUltrasons 20 kHz-1 GHzHypersons >1GHz

• En médecine les fréquences utilisées se situent entre 2 et 20 MHz

Définitions

• L’onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel élastique et déformable pour se propager

• L’onde sonore consiste en une propagation de proche en proche d’une déformation qui provoque localement des variations de pression et des oscillations des molécules autour de leur position d’équilibre

Caractérisation

• L’onde sonore est une onde de pression longitudinale, les molécules vibrant dans la direction de propagation de l’énergie

• Le passage de l’onde induit des zones de détente et compression

Caractérisation• L’onde sonore est définie par sa longueur

d’onde λ et sa fréquence f qui sont liées par la relation

λ= c/f • c correspond à la vitesse de propagation de

l’onde dans le milieu, il est constant pour chaque milieu et dépend de son élasticité E (capacité du milieu à retrouver sa forme et taille d’origine) et de sa densité ρ (proximitédes molécules)

c = (E ρ-1)1/2

Caractérisation

L’élasticité

• L’élasticité dépend principalement de la température et de la pression .Ces dernières étant ~ constantes dans le corps humain , cela rend ce paramètre négligeable dans le domaine médical

Vitesses de propagation Tissu c (m/s)

Muscle 1550 - 1630Peau 1600

Cerveau 1530

Eau 1480Air 340

Sang 1566Os spongieux 1450 - 1800

Os cortical 3000 - 4000Graisse 1450

Foie 1560Moyenne tissus mous 1540

L’impédence acoustique• L’impédence acoustique Z représente la résistance

du milieu à la propagation de l’onde Z = ρc = A/Vm

Tissu Z (kg m-2 s-1)Eau 1.48*106

Air 440Sang 1.66*106

Os cortical 4.11 - 8*106

Graisse 1.38*106

Muscle 1.65 – 1.74*106

Cerveau 1.55*106

Foie 1.65*106

Moyenne tissus mous 1.63*106

Interface

• Une interface acoustique est définie comme étant la surface de séparation entre deux milieux de Z différents. L’onde entrant en contact avec cette interface subit de nombreux phénomènes qui selon leur importance et leurs combinaisons définiront l’image finalement restituée

Les phénomènes d’interaction

• Transmission• Réflexion• Réfraction• Diffusion• Absorbtion• Atténuation

Ils obéissent aux mêmes lois que la lumière (lois de Descartes) et sont responsables de nombreux artefacts

Phénomènes d’interaction

Transmission

• Lorsqu’ une onde passe d’un milieu à un autre, une partie de l’énergie incidente est transmise et l’autre est réfléchie au niveau de l’interface séparant ces deux milieux

• La transmission est directement liée à l’impédence acoustique du milieu traversé

Itransmi / Iincident = 4Z1Z2 / (Z2+Z1)2

Réflexion

• Le faisceau réfléchi repart avec un angle identique à l’angle d’incidence

θ réfléchi = θ incident

• La réflexion est aussi directement liée à l’impédence acoustique du milieu traversé

Iréfléchi / Iincident = (Z2-Z1)2 / (Z2+Z1)2

Réflexion

• Plus la différence d'impédance acoustique entre deux tissus est élevée, plus la réflexion est grande

• Si la réflexion à lieu sur une surface irrégulère,elle sera omnidirectionnelle et de faible amplitude

Réfraction• Le faisceau transmi ne conserve sa direction

initiale que dans le cas où il est perpendiculaire à l’interface. Dans tous les autres cas il est partiellement dévié ce que l’on appelle la réfraction

• La réfraction se produit avec un angle qui est fonction des différentes impédences acoustiques, donc des vitesses

• On la défini par la loi de SNELLsin θincident / cincident = sin θréfraction / créfraction

Réfraction

• Plus la différence de vitesse de propagation est grande, plus la réfraction est importante

V2>V1 V2<V1Angle

Critique

Diffusion

• Correspond à la réémission dans toutes les directions de l’espace d’une fraction minime de l’énergie ultrasonore

• Elle dépend de la taille des structures internes des organes et de son rapport à la longueur d’onde

• Diffusion directionnelle si Φ > λ• Diffusion antérieure et postérieure si Φ = λ• Diffusion omnidirectionnelle si Φ << λ (∝d6f4)

Diffusion

Directionnelle Φ > λ

Antérieure et postérieure Φ = λ

Omnidirectionnelleou de Rayleigh

Φ << λ

Absorbtion

• Elle est due a la transformation de l’énergie mécanique en chaleur par des phénomènes de friction interne (liés à la viscosité) et au temps de relaxation des molécules (durée du retour à leur position initiale entre chaque onde)

Atténuation

• Au cours de sa propagation au sein du tissu l’énergie de l’onde est atténuée par de multiples mécanismes (réflexion, réfraction, diffusion, absorbtion et divergence du faisceau)

• Elle est décrite par une décroissance exponentielleIx = Io e-μx

• Ou par la réduction d’intensité en dB R = β f x

x = épaisseur traverséeμ et β = coefficient d’atténuation

Atténuation

• Les ondes de fréquences les plus élevées sont plusfacilement absorbées et diffusées que les ondes defréquences plus basses

I2/I1

dB

SEMIOLOGIE

Sémiologie

Science dont l’objet est l’étude des signes, en l’occurrence échographiques en liaison avec

les informations qu’ils révélent

Sémiologie

• L’image échographique est une image par réflexion

• Il est important que les interfaces que l’on souhaite visualiser soient les plus perpendiculaire possible à la ligne de tir pour que les échos réfléchis soient enregistrés par la sonde

Principe de réception de l’onde• Les sondes sont à la fois émettrices et récéptrices • L’émission de l’onde ne représente que 1% du

temps total (~ 1ms), le reste du temps la sonde est en mode réceptrice (émission pulsée)

• Chaque fois que le faisceau rencontre une interface une fraction en sera réfléchie

• L'onde ultrasonore réfléchie est détectée par letransducteur, amplifiée et numérisée

• La profondeur de l’écho est calculé selon son “temps de vol” à la vitesse de 1540 m/s

• Les niveaux de gris sont rendus en fonction del’intensité de l’écho

Echogénicité

• Sur l’image les différentes structures du corps humain sont rendues dans une échelle de gris variant du noir au blanc, chaque structure possédant sa propre faculté à produire un écho appelé échogénicité

Echos d’interface et de structure

• Deux types d’échos composent l’image finale :Les échos aux interfaces régis par des réflexions au niveau des interfaces des structures macroscopiques Les échos de structure régis par une réfléxion diffuse de faible amplitude au niveau tissulaire (diffusion et dispersion de l’onde par les micro-hétérogénités tels que les capillaires, le tissu conjonctif, la graisse, les îlots cellulaires…)

Anéchogène• Dit d’une zone noire vide d’échos, aussi appelée

transsonore

Anéchogène

Hypo, hyper et isoéchogène• L’importance des échos au sein du tissu

permettra de les décrire comme hypoéchogène, échogène ou hyperéchogène en fonction de nombre d’échos réfléchis (peu à beaucoup)

• Deux structures de même échogénicité seront appelées isoéchogènes

Hypo, hyper et isoéchogène

Hypoéchogène

Hyperéchogène

Isoéchogène

Interface et paroi

• Une interface représente une limite sans épaisseur physique séparant deux milieux d’impédance acoustique différents

• Une paroi est une structure anatomique supérieure à 2 mm séparant deux milieux d’impédance acoustique différents ou identiques

Homogène et hétérogène• La répartition de l’échogénicité (régulière ou

variable) au sein d’un tissu permettra de le décrire comme homogène ou hétérogène

Homogène Hétérogène

Déscription de différents tissus• Les liquides purs comme l’urine, le sang, la bile,

le liquide libre sont visibles en noir • Les liquides impurs comme la vieille urine ou

l’épanchement pleural ont des échos variables• Les tissus mous ont des zones d’impédance

acoustique variables séparées par des parois• La graisse est plus échogène que le muscle• L’hématome frais est hyperéchogène, puis en se

liquéfiant il devient hypoéchogène• Les structures solides cristallines (calcifications,

os) et les gaz possédent des interfaces hyperéchogènes

La description de l’image

• Une description précise de l’image échographique repose sur trois éléments :

La localisationLa caractérisationLa synthèse (conclusion du radiologue)

La localisation

• Reconnaître la structure anatomique et la visualiser dans l’espace

• Définir l’emplacement des anomalies au sein d’une structure

La caractérisation• Topographie

Contours (réguliers, irréguliers)Forme (rond, ovale, oblong, spiculé)Dimensions (mesure)

• EchostructureÉchogénicité (anéchogène, hypo, hyper)Homogénicité (homogène, hétérogène)Artéfacts complétant la caractérisation (cône d’ombre, renforcement postérieur)

• VascularisationSens du flux (s’approche ou s’éloigne)Vélocité (f Doppler = 2 vsang f cosθ / c tissus mous)Index de résistance IR (indépendant de l’angle)

La synthèse

• Informations obtenues en temps réel• Analyse des structures et anomalies

visualisées dans le contexte des indications cliniques

Types de lésions

Anéchogène

Isooéchogène

Hypoéchogène

Hyperéchogène

Types de lésions (suite)

Hyperéchogène

Entouré d’un halo Complexe

Complexe

Exemple• Localisation : partie

antéro-supérieure du lobe droit de la thyroïde

• Caractérisation : structure à contours réguliers, ronde, de 7.4mm, hyperéchogène entourée d’un fin liseré hyperéchogène, homogène, sans cône d’ombre, vascularisée

• Temps réel du radiologue et synthèse

ARTEFACTS

Les artéfacts

• Ils sont la conséquence de phénomènes physiques qui modifient les images échographiques

• Ils sont en général liés à des problèmes d’absorbtion du faisceau ou à des réflexions inadéquates

Les différents types d’artéfacts

• Atténuation• Ombre acoustique• Renforcement postérieur• Révérbération (queue de comète)• Miroir• Volume partiel• Lobe latéral• Effet de bord• Anisotropie• Vitesse du faisceau

Atténuation

• L’atténuation du faisceau selon une décroissance exponentielle entraîne un affaiblissement de l’intensité de l'onde provenant des zones profondes, elle est représentée à l’écran par une zonehypoéchogène

• Les structures en profondeur sont donc plusdifficiles à observer

Atténuation

Echelle log.

Ombre acoustique

• Produit à chaque fois que le faisceau rencontre une structure avec une impédance acoustique très différente.

• Toutes les ondes sont réfléchies au niveau de la structure (os, gaz, calculs), ce qui se traduit par un cône d’ombre (en noir car il n’y a aucune information) postérieurement à la structure réfléchissante

• Le cône d’ombre permet d’identifier la présence d’un calcul ou d’une calcification, mais il peut aussi masquer des organes se situant derrière des gaz ou des structures osseuses comme les côtes

Ombre acoustique

Renforcement postérieur

• Produit à chaque fois que le faisceau traverse une structure liquidienne anéchogène

• Postérieurement à la structure il y a une zone hyperéchogène due à la non-atténuation des échos, les ondes des structures voisines étant elles atténuées

• Le renforcement postérieur marque la nature liquidienne de la structure, mais il peut aussi induire une mauvaise interprétation de l’image située dans son prolongement

Renforcement postérieur

AtténuationEchelle log.

Révérbération (queue de comète)

• Survient lorsque deux interfaces très échogènes et parallèles sont situées sur le trajet de l’onde

• Certaines ondes se retrouvent prisonnières et font plusieurs aller-retour avant de repartir au détecteur créant ainsi des lignes parallèles et équidistantes placées à des profondeurs excessives sur l’image

• La queue de comète est un cas particulier de réverbération créé par des micro-bulles d’air ou des cristaux de choléstérol qui formeront une ligne échogène composée de multiples échos contigus

Révérbération (queue de comète)

Miroir

• Survient lorsque le faisceau se réfléchi sur une interface linéaire très échogène

• L’onde incidente se réfléchi avant d’atteindre une autre structure, au retour les échos reprennent le même chemin, se réfléchissant à nouveau contre l’interface linéaire avant d’atteindre la sonde

• L’appareil interprettant toujours l’onde en ligne droite, il replacera l’écho derrière l’interface créant une fausse image symétrique à la vraie par rapport à l’interface

Miroir

Volume partiel

• Rencontré lorsque l’épaisseur du faisceau interresse à la fois une structure liquidienne et les parties molles adjacentes

• Une fraction des parties molles sera intégrée à la structure liquidienne, introduisant faussement des échos dans cette structure

Volume partiel

Lobe latéral

• Lié au retour d’énergie ultrasonore vers la sonde en dehors de l’axe

• La sonde émet un faisceau ultrasonore principal et plusieurs lobes secondaires d’intensité moindre

• Seul le faisceau principal est pris en compte pour le retour des échos, ceux générés par les lobes secondaires seront placés alors par erreur dans la direction du faisceau principal générant un artéfact

Lobe latéral

Effet de bord

• Lié à la réflexion de l’onde sur la paroi d’un objet arrondi

• La réflexion oblique sur les bords entraîne une déviation du faisceau et de ce fait des zones où aucun écho est détecté

Effet de bord

Anisotropie

• L’échogénicité de certaines structures dépendent de l’orientation du faisceau, elles sont alors dites anisotropiques

• L’échogénicité est maximale lorsque le faisceau incident arrive perpendiculairement à la structure et elle diminue lorsque l’obliquité augmente

• C’est principalement le cas de structures tendineuses (β perpendiculaire aux fibres 3.3, βparallèle aux fibres 1.2)

Anisotropie

• Faisceau à 90°

• Faisceau à 60°

• Faisceau à 30°

Vitesse du faisceau

• La vitesse de propagation du faisceau varie selon les milieux biologiques, mais pour les calculs du « temps de vol » l’appareil prend en compte la vitesse moyenne dans les tissus mous qui est de 1540 m/s

• Il peut en résulter une localisation spatiale aberrante causée par une trop grande différence entre la vitesse réele et la vitesse calculée

Vitesse du faisceau

c = 1540 m/sd = 21 mm

c = 2200 m/sd = 21 mm

c = 1540 m/sd = 30 mm