REVISION DE LA THÉORIE DES ULTRASONS ET APPLICATIONS

Jean-Paul Daigle

Responsable Production

Centre de développement du porc du Québec inc.

Principes d’Ultrasons...

• Technologie développée durant les 50 dernières années

• Maintenant utilisés pour application médicale & vétérinaire, en métallurgie, avionnerie, marine, pêche, nettoyage, contrôle à distance (porte, TV, etc.) et évaluation espèces animales

Principes d’Ultrasons...

• Définition de «ULTRASONIC»

– ULTRA réfère à quelque chose d’extrême ou d’élevé et

– SONIC réfère aux sons

– Ce qui signifie que nous avons affaire à rien d’autre que des sons à hautes fréquences

Sons en tant qu’énergie

Pour exister, les sons doivent rencontrer certaines conditions et exigences

Ils doivent :

• AVOIR UNE SOURCE DE VIBRATIONS;

• AVOIR UNE SUBSTANCE DANS LAQUELLE VOYAGER;

• ÊTRE REÇUS POUR CONFIRMER LEUR EXISTENCE.

... Sons en tant qu’énergie...

• Les sons sont mesurés en terme de:

Vibrations par seconde

• Lorsque l’on parle de VIBRATIONS/S, nous référons au nombre de fois que chaque particule, composant les tissus ou matériel à mesurer, VIBRE ou OSCILLE.

• Le terme pour exprimer la fréquence (vibrations/s), est :

Hertz

... Sons en tant qu’énergie

1 vibration/s = 1 cycle/s = 1 hertz = 1 Hz

1000 Hz = 1 kHz (kilohertz)

1 000 000 Hz = 1 MHz (mégahertz)

Hertz est l’unité de FRÉQUENCE (f)

Fréquence des sons...

• L’être humain peut entendre des sons variant de 20 Hz à 20 000 Hz, mais cela diffère selon les individus.

• Cette fréquence s’appelle des SONS AUDIBLES

• Les SONS AUDIBLES voyagent dans l’AIR

• À cause de la très faible densité et la faible impédance acoustique, l’air ne transmet pas efficacement les sons à haute fréquence (couplant ?)

... Fréquence des sons

• Au-dessous des sons audibles :

< 20 Hz = INFRASONS

• Au-dessus des sons audibles :

>20 000 Hz = ULTRASONS

ULTRASONS -->CRÉATION

Transducteur ou sonde ou « probe » etc.

Mode-A

Génération des ondes...

• Une onde est une agitation (perturbation) voyageant à travers une substance (médium), transmettant son énergie de façon successive aux particules de cette substance.

... Génération des ondes

• Toutes les ondes sont générées de la même

façon, mais l’oscillation (cristal) des ondes

ultrasons est beaucoup plus fréquente

• LE NOMBRE DE VIBRATIONS (ou cycles), PASSANT

UN POINT DONNÉ DANS UNE PÉRIODE DE TEMPS

DÉTERMINÉE, S’APPELLE :

LA FRÉQUENCE (f)

Échelle de fréquence des sons

40 000 000 à plus de 100 000 000 Hz -->applications spéciales

7 500 000 Hz

échelle normale pour métaux, gras, muscle

2 000 000 Hz

20 000 Hz ------> limite supérieure des sons audibles

160 Hz-------> fréquence utilisée par les baleines

20 Hz-------> limite inférieure des sons audibles

Théorie des ultrasons...

• Se souvenir que, généralement :

– La théorie est la même pour tous les sons (infrasons, audibles et ultrasons)

– La théorie des ultrasons est la même pour tous les types d’appareils

Les ondes ultrasons...

• Fondamentalement, les ultrasons ne sont pas différents des sons audibles.

• Les deux sont mouvements dans une substance.

• Mais qu’est-ce qui se déplace ?

... Les ondes ultrasons

• Imaginer de petites particules toutes reliées par des élastiques, donc ne pouvant pratiquement pas bouger de leur position de départ

Les ondes ultrasons...

• Lorsqu’elles sont frappées (vibration du cristal), chacune se met à vibrer et passe son énergie à chacune des particules adjacentes

• La propagation de cette énergie se déplace à une VELOCITÉ© sonore

... Les ondes ultrasons

• Table de vélocité:

Aluminium 6 300 m/s

Acier 5 920 m/s

Plexiglas 2 730 m/s

Muscle 1 620 m/s

Gras 1 480 m/s

Eau 1 480 m/s

TYPES D’ONDES

• ONDES LONGITUDINALES ou de COMPRESSIONS

• TRANSVERSALES (SHEAR WAVES)

• SURFACE WAVES (RAYLEIGH WAVES)

Chaque mode de propagation a une façon et une vélocité stable et constante

ONDES LONGITUDINALE OU DE COMPRESSION

• C’est la forme de propagation la plus simple et la plus connue puisque que les sons audibles sont transmis de cette façon et c’est ce type d’ondes que nous utilisons pour les mesures de gras et de muscle

• Une onde longitudinale est obtenue lorsque les particules de la substance à mesurer sont frappées de façon verticale à la surface

VITESSE ou VÉLOCITÉ

Faible densité = moins de vélocité

Haute densité = plus de vélocité

DIFFERENCES ENTRE MODE-A et MODE-B(temps-réel)

• MODE-A

- Précis (généralement) selon l’interprétation et la calibration;

– Mesure à un seul endroit;

– Présentation sur CRT, Diodes, Digitale

• MODE-B or Temps-

Réel

– Image d’une région

– Plusieurs cristaux placés de façon séquentielle

– Plus de possibilités

– Facteur technicien moins important

CHOIX DU TRANSDUCTEUR

• Le transducteur est une pièce électro-acoustique (piezoelectric) qui convertit l’énergie électrique en énergie acoustique et vice versa.

• Le choix du transducteur est très important.

• La vélocité du matériel et les distances à

mesurer vont déterminer la fréquence et le

diamètre (Mode-A) du cristal.

Choisir le transducteur en fonction de la distance...

• Champs du faisceau (Near zone=N) N = (D² * f) / (4 * V)

D : diamètre

f : fréquence

V: vélocité

CHAMPS D’ÉTALAGE...

• Le champs d’étalage est divisé en

3 secteurs(zones) Morte Proche Éloignée

Turbulence Meilleure réflection

Dispersion

... CHAMPS D’ÉTALAGE...

• Pour calculer le champ proche (N), nous devons considérer :

– Le diamètre du cristal (D)

– La fréquence (f)

– La vélocité du matériel(V)

N = (D2 x f) 4 x V)

• LES PLUS HAUTES FRÉQUENCES ONT MOINS DE FACILITÉ DE PÉNÉTRATION

... CHAMPS D’ÉTALAGE

• Longueur d’onde (lambda ) = l = V f

• AUCUNE RÉFLEXION SI LA MEMBRANE EST

PLUS PETITE QUE l

• Exemple :

(1,48 km/s 2,25 MHz) / 2 = 0,33 mm

Choisir le transducteur en fonction de la distance et du degré de

précision désirés (plusieurs cristaux placés de façon séquentielle)

0

CHOIX DE L’APPAREIL : Mode- B

• Les plus hautes fréquences ont un champ plus long et moins de divergence dans le champ éloigné. Elles permettent une meilleure définition des petites structures.

• Donc, plus d’énergie se trouve absorbée et dispersée par les tissus mous.

• Conclusion : les hautes fréquences ont moins de capacité de pénétration.

RECOMMANDATIONS POUR DES MESURES DE GRAS ET DE MUSCLE

• TRANSDUCTEUR LINÉAIRE

• 100 mm de long ou plus ayant plusieurs

cristaux placés de façon séquentielle

• 3,5 MHz (fréquence)

CHOIX DE L’APPAREIL : Mode- B

• Pour des mesures d’épaisseur de qualité, l’option «Freeze» est obligatoire.

• Possibilité de mesurer des distances (curseur)

• Un « gel-pad » doit être utilisé (sound trap).

MESURES DU GRAS ET DU MUSCLE

POINTS À SUVEILLER

• Les points de sondage doivent être déterminés précisément.

• L’animal doit se tenir debout et être maintenu immobile (cage, balance, etc.).

• Un couplant doit être utilisé (gel à ultrasons, huile minérale, eau, etc.).

• Avoir un bon contact entre le dos de l’animal et le gel-pad MAIS PAS DE PRESSION.

• Un gel-pad doit être utilisé.

POINTS DE SONDAGE

• PROGRAMME D’ÉVALUATION GÉNÉTIQUE :

Mesures de l’épaisseur de gras et de la profondeur du muscle (longissimus dorsi) à partir d’une image longitudinale à 5 cm de la ligne médiane entre les 3e et 4e avant-dernières côtes (à 15 cm i.e. 6 pouces en avant de la dernière côte)

POINTS DE SONDAGE

• PROGRAMME D’ÉVALUATION GÉNÉTIQUE :

• Le transducteur doit être placé

± verticalement afin d’obtenir la réflexion des muscles inter-costaux.

Site 3-4e côtes

5 cm

La mesure du gras inclut la peau, mais pas la membrane recouvrant le muscle.

POINTS DE SONDAGE - PEG

5 cm

POINTS DE SONDAGE – SITE P2

• Épaisseur de gras au niveau de la dernière côte, à 6,5 cm de la ligne médiane

• Le transducteur doit être placé à angle droit par rapport à la surface de l’animal à cet endroit.

P-2

6.5 cm

TOUJOURS INCLURE LA 3e COUCHE

6,5 cm

COMPARAISON DES MESURES ENTRE DIFFÉRENTS APPAREILS

Tenir compte de la calibration des appareils

• Exemple :

– Généralement, les appareils en Mode-A sont calibrés en fonction de la vélocité du gras = 1 480 m/s

– Les appareils en Mode-B sont calibrés en fonction du gras/muscle = 1 480 m/s/1 620 m/s = 1 550 m/s

ÉQUIPEMENTS COMPLÉMENTAIRES

LOGICIELS D’ANALYSES D’IMAGES (démonstration P.M. Auskey AutoD)

IMPRIMANTE

MAGNÉTOSCOPE

UTILISATION DU « GEL-PAD »

Le gel-pad doit être :

• manipulé avec précaution

• attaché au transducteur (sonde) de

façon à bouger par rapport à celui-ci

• Aucune pression ne doit être exercée entre le gel-pad et le transducteur.

• Uniquement du gel à ultrasons (ex : Écogel 200) doit être utilisé comme couplant entre le gel-pad et le transducteur.