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FORMATION DE L’IMAGE ECHOGRAPHIQUE Dr Hamidou DEME

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FORMATION DE L’IMAGE ECHOGRAPHIQUE

Dr Hamidou DEME

OBJECTIFS

- Connaître les caractéristiques des Us

- Décrire l’interaction des ondes acoustiques avec la matière: réflexion++

- Définir la piézoélectricité

- Décrire les bases de la formation de l’image échographique

PLAN

INTRODUCTION

PRINIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

INTERACTION DES ONDES ACOUSTIQUES AVEC LA MATIERE

GENERATION DES US

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

CONCLUSION

INTRODUCTION

• Échographie = imagerie par réflexion (= transmission ou émission)

• Absence d’effet indésirable

- pas de rayonnement ionisant

- pas d’effet biologique aux puissances utilisées en imagerie

• Faible encombrement : utilisable au lit du patient

• Faible coût

• Utilisé dans de nombreuses spécialités médicales

• Opérateur dépendant

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

• Onde progressive : propagation dans un milieu d’une perturbation d’une ou de plusieurs caractéristiques physiques de ce milieu

• Ondes acoustiques : vibrations mécaniques ordonnées correspondant à des variations de pression des milieux traversés.

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Caractéristiques des ondes acoustiques:

• Propagation de l’énergie de proche en proche grâce aux forces de liaison intermoléculaires (ne se propagent pas dans le vide)

• Transport d’énergie sans transport de matière

• Déplacements moléculaires dans la direction longitudinale (pour les tissus mous) autour d’une position d’équilibre

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Paramètres caractérisant l’onde acoustique:

• Célérité (c) : vitesse de propagation de l’onde dans le milieu. Elle dépend uniquement des propriétés physiques du milieu. [m.s-1] (1540m/s)

• Longueur d’onde (λ) : distance séparant 2 points identiques de l’onde acoustique. [m]

• Période (T) : délai séparant 2 points identiques de l’onde acoustique *s+

• Fréquence (F) : nombre de variations de pression par seconde. [Hertz – Hz]

• F = 1/T λ = c.T = c/F

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Paramètres caractérisant l’onde acoustique:

• Pression acoustique (p) [Pa]

• Intensité acoustique ou puissance surfacique (I) : énergie moyenne traversant perpendiculairement l’unité de surface par unité de temps [mW.cm-2]

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Paramètres caractérisant le milieu:

• La masse volumique (ρ) : masse par unité de volume [Kg.m-3]

• L’élasticité ou module d’Young (E) : constante reliant la déformation du milieu à la contrainte exercée (loi de Hooke). Il est d’autant plus grand que le milieu est moins compressible [Kg.m-1.s-2]

• L’impédance acoustique (Z) : caractéristique du milieu, définie par

• Z = ρ . c = √E . ρ [Kg.m-2.s-1]

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Les ultrasons (US)

SONS FREQUENCES

INFRASONS 0 à 20 Hz

SONS AUDIBLES 20Hz à 20 KHz

ULTRASONS 20KHz à 1GHz

HYPERSONS Supérieur à 1 GHz

PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

Propagation des ondes acoustiques

Interface = frontière entre 2 milieux d’impédance différente

Coefficient de réflexion (R) : fraction d’énergie réfléchie par l’interface. Il est proportionnel à la différence d’impédance entre les 2 milieux.

INTERACTION DES ONDES ACOUSTIQUES AVEC LA MATIERE

Interaction des ondes acoustiques avec la matière :

Atténuation

Absorption

Réfraction / réflexion

Diffusion

Atténuation

En se propageant, l’onde US cède une partie de son énergie au milieu traversé : il y a absorption de l’énergie ultrasonore et l’intensité du faisceau diminue.

Itransmise = I(l) = Ioexp (-ml)

l = distance à la source, I0 = intensité initiale , m = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence

L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.

Atténuation du faisceau US

• Absorption : énergie déposée dans le milieu par le faisceau US (transformation de l’énergie mécanique en chaleur)

Dans un milieu homogène (Z constant) l’intensité du faisceau décroit par absorption selon la relation : Ix = I0 e-αx [dB.cm-1]

Ix : intensité du faisceau à la distance x de la source

I0 : intensité du faisceau à la source

α : coefficient d’absorption, proportionnel au carré de la fréquence US

L’atténuation augmente donc avec :

- la fréquence du faisceau → les fréquences élevées seront réservées à l’exploration des structures superficielles.

- l’épaisseur du milieu traversé

En pratique

Atténuation

La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration :

2-3 cm10 - 12 MHz

5-6 cm7,5 MHz

10 cm5 MHz

> 15 cm2,5 - 3,5 MHz

Profondeur d'exploration

maximale

Fréquence des ultrasons

Réflexion :

se produit lorsque le faisceau US rencontre une interface dont les dimensions sont supérieures à celles de la longueur d’onde du faisceau.

⇒ En échographie, la détection de la fraction réfléchie (écho) est à l’origine de la formation de l’image.

Onde incidente

Onde réfléchie

Onde transmise

Interface

c1,Z1c2,Z2

Interaction des ultrasons / milieu biologiques

Réflexion

MilieuEauAirSangGraisseFoieMusclePeauOs cortical

Impédance (MRayl)1.48

4.40 10- 4

1.66 1.35 1.65 1.70

7.00

Impédance dans les tissus biologiques

Réflexion

La réflexion des ultrasons aux interfaces donne les limites anatomiques des organes.

, plus l'énergie réfléchie est importante Plus DZ =Z2 -Z1

interface tissu mou/tissu mou : proportion d’énergie réfléchie est faible (moins de 1%)

interface tissu mou/os : réflexion de l’onde incidente est importante (environ 40%)

squelette (côtes, crâne) = obstacle

interface tissu mou/air : réflexion de l’onde incidente est quasiment totale (99.9%)

poumons et tube digestif =obstacle

Cône d ’ombre acoustique

en cas de réflexion très intense

(os, air, calcification)

1obstacle tissu Z-Z

Ztissu

Zobstacle

Renforcement postérieur en cas de zône d ’hypoatténuation(kyste liquidien)

atténuation

Zone de plus faible

atténuation

atténuation

Réfraction / réflexion

Angle autre que 90°

2

1

sin

sin

c

c

t

i

R = [(Z2cosi – Z1cost)/( Z2cosi + Z1cost)]2

T = 4 Z2 Z1 cosi cost/( Z2cosi + Z1cost)2

En pratique échographique, le phénomène de réfraction est généralement négligeable, car les différences de célérité des tissus biologiques sont faibles et les incidences utiliséesvoisines de celles de la normale ( = 0).

Réflexion: air/peau

Zair= 0,0004 Zpeau= 1,62

1

.999

.001

Dans cet exemple, les ultrasons se réfléchissent à 99,9%! L’amplitude

transmise est quasi NULLE!

Impossible alors de faire pénétrer les ultrasons à l’intérieur du corps humain de cette manière!

De là, l’importance de mettre la surface émettrice du transducteur en

CONTACT avec la peau des patients en utilisant une huile ou une gélatine (gel) dont l’impédance acoustique est voisine de celle de l’épiderme

DIFFUSION

Diffusion : se produit lorsque le faisceau US rencontre une interface dont les dimensions sont très petites devant la longueur d’onde du faisceau (sphère élastique).

La sphère se comporte comme une source secondaire et une fraction minime de l’énergie absorbée est réémise dans toutes les directions (à la même fréquence que l’onde incidente).

Il s’agit de l’interaction prépondérante avec les éléments figurés du sang

Diffusion : émission dans toutes les directions d’une fraction de l’énergiepar des cibles de petite taille devant le longueur d’onde.

Echostructure : diffusionBords (limites) desstructures : réflexion aux interfaces

c2,Z2

Interaction des ultrasons / milieu biologiques

Diffusion

Onde diffusée

L ’énergie diffusée qui revient vers l ’arrière

est rétrodiffusée

Diffusion

L'échostructure des tissus est due aux échos diffusés par les petites cibles diffusantes.

Espace liquidien (kyste) vide d'échos (anéchogène)

L'intensité du signal diffusé dépend de la taille, du nombre de diffuseurs et de leur variation de densité et compressibilité

Diffusion par le sang (GR) effet Doppler

GENERATION DES US

GENERATION DES USPIEZO-ELECTRICITE

Définition : transformation d’une déformation mécanique en signal électrique et inversement.

• Effet propre à certains cristaux (quartz) ou céramiques anisotropes (ferro-électriques), lié à l’asymétrie de répartition des charges consécutive à une déformation

• La différence de potentiel générée est proportionnelle à la déformation exercée

• Inversement, l’application d’une tension électrique provoque une déformation du cristal

• Permet au même élément (transducteur) d’être à la fois émetteur et récepteur (alternance émission/réception)

GENERATION DES US

Transducteurs ultrasonores

• Émission : un courant de haute fréquence est appliqué pendant une fraction de seconde au cristal piézo-électrique (onde impulsionnelle)

Vibration mécanique → émission d’un train d’onde bref

• Réception des échos US sous forme de vibrations mécaniques → transformation en signal électrique aux bornes du cristal (selon son intensité: point gris)

• Le signal électrique est directement dépendant des interfaces rencontrées par le faisceau US

GENERATION DES USTransducteurs ultrasonores

• La distance séparant l’interface du transducteur sera calculée par : d (m) = c . t1 = c.t2 /2

avec c = 1540 m/s dans les tissus mous

• L’amplitude du signal électrique correspond à l’énergie du faisceau réfléchi, donc à la différence d’impédance constituant l’interface

• Chacune des interfaces situées dans l’axe du faisceau sera caractérisée par :

- sa distance par rapport au transducteur

- son coefficient de réflexion

GENERATION DES USLe champ ultrasonore

Géométrie du faisceau US : 2 zones successives

1. La zone de Fresnel : correspond à un cylindre dont le diamètre est celui de la source (en cas de source circulaire). Le front d’onde est plan et la résolution spatiale est optimale.

2. La zone de Fraunhofer : correspond à un cône. Le front d’onde est convexe et l’intensité du faisceau diminue avec l’augmentation de sa surface (= diminution de la résolution spatiale).

Lorsque la fréquence et le diamètre de la source augmentent, la zone de Fresnel augmente et l’angle de divergence de la zone de Fraunhofer diminue.

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

Énergie électrique = impulsion

Émission = conversion d’énergie

Propagation

Réflexion - Diffusion = naissance de l’écho

Réception = conversion d’énergie

Information électrique (point selon l’échelle de gris)

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

Émission :

Sonde (excitation électrique) impulsion US

Réception :

Échos engendrés par réflexion ou diffusion

(émettrice – réceptrice)

Temps de « vol »

c.t = 2.z

z= profondeur

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

Notion de résolution

Distance minimale entre deux points objets

Distinction précise (images)

Finesse des détails

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

Résolution axiale (en profondeur)

Plus petite distance séparant 2 points situés dans l’axe du faisceau et donnant des échos distincts

Elle dépend de la fréquence d’émission / réception (et donc de la longueur d’onde dans le milieu considéré; λ = c/F) ainsi que des caractéristiques du transducteur (facteur de qualité Q –durée du train d’onde)

Cependant l’atténuation du faisceau augmente aussi avec sa fréquence → compromis entre résolution axiale et profondeur d’exploration

RESOLUTION / PROFONDEUR

Limite théorique de résolution est donnée par la longueur d'onde (l=c/f)

1 - La résolution est meilleure quand la fréquence augmente

progrès augmentation de fréquence

2 - L'atténuation est proportionnelle à la fréquence

La profondeur d’exploration diminue quand augmente la

fréquence

COMPROMIS Résolution / Exploration

PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE

Résolution latérale

Plus petite distance séparant 2 points situés dans un plan perpendiculaire à l’axe du faisceau et donnant des échos distincts

Elle dépend de la largeur du faisceau. Celle-ci peut être réduite par focalisation

RESOLUTION SPATIALE

Limite de résolution théorique (échographe)

c (tissu mou) = 1540 m/s

R (mm) = 1,54/F(MHz)

0,3 mm à 5 MHz

75 micro-mètre à 20 MHz

RESOLUTION

En résumé

Résolution

Avec F

Avec amortissement du capteur

Avec focalisation

Mais compromis à trouver

F

Profondeur explorée

CONCLUSION

CONCLUSION

US: se déplace dans la matière

Impédance acoustique

Réflexion: base de l’échograhie

Piézo-électricité++

MERCI DE VOTRE ATTENTION