PRINCIPES PHYSIQUES DES ULTRASONS - …€¦ · Sommaire Généralités Mécanique des ondes Faisceau ultrasonore Effet piezoélectrique Doppler Modes échographiques

PRINCIPES PHYSIQUES

DES

ULTRASONS

D.I.U. d’Echocardiographie module 1

Sommaire

Généralités

Mécanique des ondes

Faisceau ultrasonore

Effet piezoélectrique

Doppler

Modes échographiques

Généralités

• ONDE ACOUSTIQUE = vibration mécanique

dans un milieu physique (comme l’air ou l’eau)

• Sons Infrasons

Sons audibles

Ultrasons

• Ultrasons > 20000 cycles par seconde

Généralités

• HISTORIQUE

1880 Frères Curie : effet piezo électrique

1881 phénomène inverse

Généralités

• HISTORIQUE

1942 DUSSIK => images du cerveau

1950 BALLANTINE => atténuation US

1950 FRENCH => mode A

1952 WILD => mode B

1965 mode TM en échocardiographie

1966 mode 2D

Généralités

• HISTORIQUE

1842 Christian DOPPLER

=> effet Doppler

1980 Doppler couleur

Généralités

• APPLICATIONS

-- 20 KHz

-- 30 KHz-- 100 KHz-- 1 MHz-- 2 MHz-- 3 MHz-- 10 MHz-- 30 MHz

-- 500 MHz

-- 3 GHz

Lithotritie transcutanée

Scalpel

Micro nettoyage

Physiothérapie

Imagerie

Microscope acoustique

Bases Physiques : mécanique des ondes

• Description ondulatoire

– Longueur d’onde l (mm, nm)

– Fréquence m (Hz) = nb oscillations/sec

m = c / l

distance

p

l



• Description ondulatoire

– Amplitude Y(t) = A sin (t)

– Intensité acoustique

temps

i

A


Intensité acoustique

– Pression Acoustique (Pascal)

= pression exercée sur une surface 1 m2

rapport seuil audible et douleur = 1/10000000

– le Bel ou Décibel

= 10 log base 10 d’un rapport de deux grandeurs

de niv. sonore par rapport à une référence

Intensité x 10 tous les 20 dB, Puissance x 100

dB = 10 Log10(W/W0)

Pa Bar dB SL Puissance (W) Correspondance2000 000 20 220 10 000 000 000

200 000 2 200 100 000 000

101 300 1.013 194 25 118 864 Pression atmosphérique.20 000 0.200 180 1000 000 Fusée.2000 0.020 160 10 000

200 0.002 140 100 Avion à réaction.20 0.000 200 120 1 Watt Seuil de douleur.2 0.000 020 100 0.01 Discothèque.

0.2 0.000 002 80 0.000 100 Grand orchestre.0.02 0.000 000 200 60 0.000 001 Rue, lieu public.0.002 0.000 000 020 40 0.000 000 010 Conversation normale.

0.000 200 0.000 000 002 20 0.000 000 000 100 Chuchotement.0.000 020 0.000 000 000 200 0 dB 0.000 000 000 001 Unité d’échelle de normalisation.0.000 002 0.000 000 000 020 -20 0.000 000 000 000 010



• Intensité acoustique

les Décibels en échocardiographie

+ Puissance à l’émission

+ Gains

+ Gamme dynamique


• Propagation des US

Etat vibratoire en un point fonction de :

+ l’élongation

+ la vitesse vibratoire

+ la pression ultrasonore P

+ la masse spécifique

+ la température absolue




– Célérité de l’onde

c = 1/sqr(r.m)

r : masse spécifique au repos

m : coefficient de compressibilité

unité : m/s

Exemples : tissu graisseux : 1450 m/seau 37° : 1510 m/s 120° : 1480 m/stissu sanguin : 1550 m/smuscle : => 1650 m/s



– Impédance acoustique caractéristique Z (dB)

Z = r.c

Z <=> mesure de la raideur ou de la résistance

Si Z élevée (ex : eau) => milieu ‘dur’, vitesses et élongations

faibles, célérité élevée

Si Z faible (ex : air) => milieu ‘mou’, vitesses et élongations

élevées, célérité basse


r c Z

os 1.74 2.77 4,81

muscle 1.07 1.57 1,67

foie 1.04 1.55 1,61

eau 1.00 1.50 1,50

graisse 0.94 1.48 1,39

air 0.001 0.34 0,00034


• Réflexion et Transmission des US

Onde incidente V1

Onde réfléchie V1’ + onde transmise V2

Coefficient de réflexion : r = ((Z2-Z1)/(Z2+Z1))2

pour r = 0, abs de réflexion

pour r => 1, réflexion max.

Z1 Z2

V1

V1’

V2


Coefficient de réflexion

os muscle foie eau graisse air

Z 4,81 1,67 1,61 1,5 1,39 0,00034

os 4,81 0 0,235 0,248 0,275 0,304 1

0 0 0 0 0

muscle 1,67 0,235 0 3E-04 0,003 0,008 1

foie 1,61 0,248 3E-04 0 0,001 0,005 1

eau 1,5 0,275 0,003 0,001 0 0,001 1

graisse 1,39 0,304 0,008 0,005 0,001 0 1

air 0,00034 1 1 1 1 1 0


q1 q2

q3

Vi = Vr

d’où q2 = q1

si Vt > Vi, q3 < q1

si Vt < Vi, q3 > q1


• Absorption

Coefficient d’absorption : a

dI = - 2 a I dx ou I = I0 e - 2 a x

NB : a lié à la fréquence d’émission

dx

I I+dI


• Diffraction

= réflexion ultrasonore de direction diffuse au contact

d’un élément dont le diamètre est inférieur ou égal à

la longueur d’onde de l’onde émise

Bases Physiques : faisceau ultrasonore

• Morphologie


• Distribution de l’énergie

A

BC


• Distribution de l’énergie

Bases Physiques : piezoélectricité

• Définition : capacité naturelle d’un quartz à

entrer en vibration mécanique sous l’effet d’un

courant électrique qui lui est appliqué


• Propriétés

– réversible

– cristaux naturels : quartz, tourmaline, sel de

rochelle

– cristaux de synthèse : titanate de barium, sulfate de

lithium, zirconiate de Pb, métaniobate de Pb

– traitement : cuisson 1500°C, découpe en disques,

polarisation, refroidissement dans un champ

électrique pour aligner les molécules

Le cristal est taillé pour vibrer en mode

AXIAL ou TRANVERSAL

Il possède une fréquence DOMINANTE

et une bande de fréquence utile

Il peut émettre en mode PULSE ou CONTINU


• Propriétés

Bases Physiques : effet Doppler

• Définition : déplacement de fréquence observé

après réflexion d’une onde (ultrasonore) par un

objet en mouvement

DF = 2 F v cosq / c

F : fréquence d’émission

v : vitesse de l’objet

q : angle entre v et c

c : célérité


temps

i

Aspectre ultrasonore émis

spectre ultrasonore

réceptionné

Fe

temps

i

A

Fr

v = (Fr-Fe) c / 2 Fe cosq


• Application : extrapolation des vitesses de

déplacement des objets à partir d’émissions

ultrasonores

– quantification des flux vasculaires

– quantification des flux intracardiaques

– quantification des déplacements de parois

• Modes :

– Doppler Pulsé

– Doppler Continu

– Doppler Couleur


• Mode A (amplitude)

– émission/réception d’un

spectre ultrasonore

– compteur temporel

– mesure d’intensité par

déflexion

Information distance

Intensité réfléchie


• Mode A


• Mode B (brillance)

– émission/réception d’un spectre ultrasonore

– compteur temporel

– mesure d’intensité par niveau de gris

Information distance

Intensité réfléchie


• Mode B


• Mode TM (mouvement)

Défilement dans le temps d’une ligne B

temps


• Mode TM


• Mode Bidimensionnel

– balayage spatial par une ligne B

– balayage continu => image dynamique

Conclusion

• Ultrasons ==> Signaux

• Images échographiques

CAPTEUR

ECHOGRAPHE

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