Transcript Réflexion

BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE
L’ÉCHOGRAPHIE
1- LES ONDES ULTRASONORES
LES ONDES SONORES
• Représentation idéale de la propagation du son dans l’air
Les US créent une vibration longitudinale des particules dans les tissus, sauf
dans l’os (et dans les matériaux solides) où se forme une vibration transversale :
force de cisaillement
LES ONDES SONORES
• Représentation des ondes : transversale ou longitudinale
mouvement
des particules
onde
long.
onde
transv.
déplacement
de l’onde
LES ONDES SONORES
• Caractérisation de l’onde :
– la longueur d’onde (λ) : en mètres
– la fréquence (F) : nombre de longueurs d’ondes (ou de cycles)
par seconde : en Hz
– la période (T) : temps de cycle: en sec
– la célérité (C) : vitesse de propagation dans le milieu: en
m/sec
LES ONDES SONORES
• La fréquence (F) :
– C’est le nombre de cycles par secondes (Hz)
– 4 catégories de sons :
•
•
•
•
Infrasons :
Sons audibles :
Ultrasons :
Hyper-sons :
0 - 20 Hz
20 Hz - 20 kHz
20 kHz - 1 GHz
> 1 GHz
– En échographie, la gamme de fréquence d’émission utilisée
varie de 1 MHz à 20 MHz (parfois plus)
LES ONDES SONORES
• La longueur d’onde (λ) :
– c’est la distance entre deux bandes de compression ou de
raréfaction
– c’est la distance, au sein d’une onde, qui inclue la totalité d’un
cycle positif et d’un cycle négatif
BUSHONG FIG 4-6
LES ONDES ULTRA-SONORES
• La longueur d’onde (λ) :
– dans un milieu donné, la longueur d’onde  varie avec
la fréquence:
=C/F
(en mètres)
– dans les tissus mous (C = 1540 m/sec) :
– F = 0,77 MHz
– F = 2 MHz
 = 2 mm
 = 0,77 mm
– à fréquence constante, la longueur d’onde  varie avec
la nature du milieu
LES ONDES ULTRA-SONORES
• Vitesse de propagation ou célérité (C) :
– dans un milieu donné, C est constante, avec la relation
suivante :
C=Fx
Corps humain:
vitesse moyenne dans
les tissus mous : 1540m/sec
LES ONDES ULTRA-SONORES
• Notion d’impédance acoustique (Z) :
– caractéristique acoustique du milieu
Z = / (kg/m2/sec)
•
•
•
•
air
eau
tissus mous
os
: densité ou masse volumique (kg/m3)
: compressibilité
Z = 0,0004
Z = 1,48
Z = 1,63
Z = 3,65 -7,09
10-6
10-6
10-6
10–6
kg/m2/sec
kg/m2/sec
kg/m2/sec
kg/m2/sec
– elle conditionne la vitesse de propagation de l’onde US
C = Z / (m/sec)
LES ONDES ULTRA-SONORES
• L’amplitude (A) de l’onde US :
– différence entre la position d’équilibre et la maximum
– représente le degré de déplacement des particules dans une
direction seulement
LES ONDES ULTRA-SONORES
• Puissance et intensité ultrasonore :
– la puissance acoustique d’un système contrôle le niveau
d’énergie déposée dans le milieu : en mW/min
– on préfère utiliser la notion d’intensité ultrasonore qui dépend
de la surface de section du faisceau :
I = Puissance / surface de section ; en mW/cm2
LES ONDES ULTRA-SONORES
• L’amplitude (A) de l’onde ultrasonore :
– l’unité utilisée dépend de la variable acoustique considérée :
• déplacement des particules :
• pression sur les particules :
• vitesse de déplacement des particules :
m ou µm
N / m2
m/sec
• L’intensité (I) de l’onde ultrasonore :
– elle est proportionnelle à l’amplitude :
I A2
LES ONDES ULTRA-SONORES
• Les décibels (dB) :
– c’est un dixième de bel (du physicien AG Bell)
– c’est l’unité utilisée pour comparer les intensités relatives de
2 faisceaux ultrasonores et exprimée en logarithme de base
10
dB = 10 Log (I / Io)
I : intensité du faisceau en un point
Io : intensité initiale du faisceau
– comme l’intensité est proportionnelle à l’amplitude au carré
dB = 20 Log (A / Ao)
LES ONDES ULTRA-SONORES
• Les décibels (dB) :
– valeur d’intensité relative
permettant de comparer, par
ex., les intensité émises et
réfléchies:
– Exemple :
BUSHONG Fig 5-4
L‘intensité relative est : 10Log(I/Io)
= 10Log(0,001/10)
= 10Log10-4
= 10(-4)
= - 40dB
2- LES PULSES ULTRASONORES
PULSE ULTRASONORE
• Caractéristiques du pulse ultrasonore :
– en échographie, on fonctionne en mode pulsé avec une
intermittence entre émission et réception
- fréquence
- amplitude
- durée
- phase
3- INTERACTIONS DES US AVEC
LA MATIÈRE
INTERACTIONS US-MATIÈRE
• L’échographie utilise le principe de la réflexion :
l’image échographique est reconstruite à partir d’échos
réfléchis par les interfaces tissulaires du corps
• Mais elle est limitée par l’atténuation du faisceau :
l’intensité du faisceau est progressivement réduite au fur
et à mesure de sa pénétration dans les tissus
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• La réflexion du faisceau US :
– c’est le phénomène principal à l’origine des images
échographiques
– la partie réfléchie R du faisceau constitue l’écho
– la partie transmise T sera à l’origine de nouvelles
réflexions plus profondes
– la proportion R/T dépend de :
• la nature du réflecteur
• l’angle d’incidence
• la différence d’impédance Z
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• Les différences d’impédance acoustique (Z) :
Z=C.
•
•
•
•
air
eau
tissus mous
os
(kg/m2/sec)(10-6) = Rayls
Z = 0,0004
Z = 1,48
Z = 1,63
Z = 3,65 -7,09
10-6
10-6
10-6
10–6
kg/m2/sec
kg/m2/sec
kg/m2/sec
kg/m2/sec
– Le % de réflexion à une interface peut-être calculée par :
%R = (Z2-Z1/Z2+Z1) 2 X 100
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
Émission
Réception
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » :
– interfaces larges et lisses séparant deux milieux
d’impédance acoustique différente : par exemple la paroi
antérieure de la vessie
– la réflexion à la sonde dépend ici de l’angle d’incidence i
(i = r = t)
– pour obtenir un écho à la sonde, il faut que i soit < 5°
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » :
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• Réflexion sur des réflecteurs dits « non-spéculaires » :
– soit des interfaces plus petites que la longueur d’onde
– soit des interfaces rugueuses et très irrégulières
– s’accompagne d’un phénomène de diffusion pluridirectionnelle (cf)
– la réflexion à la sonde ne dépend pas de l’angle d’incidence
et est appelé « rétro-diffusion » (back-scattering)
BURNS FIG 5
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion
• L’effet de rétro-diffusion dans les tissus :
– se renforce grâce au phénomène « d’interférences positives »
– ce phénomène donne naissance au « speckle » d’une image
– il caractérise « l’ échogénicité » et « l’écho-texture » de
chaque tissu
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation
• L’atténuation du faisceau US :
– définie comme la réduction d’intensité d’un faisceau
US au cours de sa progression dans le milieu
– elle dépend du milieu traversé et de la F du faisceau
– elle est exprimée en décibels (dB)
• Le coefficient d’atténuation () :
– il exprime le degré d’atténuation par différents tissus
d’un faisceau US (caractérisé par sa F), en fonction de
l’épaisseur traversée
– elle est exprimée en dB/cm/MHz
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation
• L’atténuation du faisceau US dépend de 6 types
d’interactions :
–
–
–
–
–
–
l’absorption
la réfraction
la diffraction
la diffusion
les interférences
la réflexion
interaction directe milieu / faisceau
interactions interfaces sur le faisceau
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation
• L’absorption de l’énergie par le milieu :
– elle obéit à une loi exponentielle :
I = Ioe -µX
µ : coefficient d’absorption
X: distance à la source
elle imposera, en retour, une correction logarithmique du gain
pour compenser cette perte d’intensité
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation
• La réfraction du faisceau US :
– Loi de Snell:
sin 1 = C1
sin 2 C2
1: angle incident
2: angle transmis
C1: célérité dans le milieu 1
C2: célérité dans le milieu 2
BUSHONG FIG 6-4
INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation
• La diffraction du faisceau US :
– c’est la dispersion progressive du faisceau avec sa progression
dans les tissus : son augmentation augmente l’atténuation
– elle augmente avec la diminution de la taille de la source
BUSHONG FIG 6-7
4- LE FAISCEAU ULTRASONORE
FAISCEAU ULTRASONORE
• Forme du faisceau: phénomène de divergence
– le plan du front d’ondes présente deux régions distinctes:
• le champ proximal à front plat : la zone de Fresnel
• le champs distal à front convexe : la zone de Fraunhofer
– la qualité d’image optimale se situe dans la zone de transition :
c’est la distance focale, caractéristique de chaque sonde
FAISCEAU ULTRASONORE
• Lobes accessoires :
– dans les sondes multi-éléments
– générés par les éléments les plus
latéraux
– intensité faible (1% ou –20db /
centre)
FAISCEAU ULTRASONORE
• Forme du faisceau: il dépend aussi du type de sonde :
– sondes mono-élément :
• fixe (crayon) : balayage manuel
• mobiles : balayage mécanique temps réel
– sondes multi-éléments :
• annulaires : anneaux concentriques
• barrettes de cristaux : linéaires ou courbes
FAISCEAU ULTRASONORE
• Varie selon le type de sonde :
cristal plat
unique
cristal
annulaire
cristaux multiples
5- LA FOCALISATION DU FAISCEAU
ULTRASONORE
EFFET DE LA FOCALISATION
• Objectif : amélioration de la résolution spatiale
résolution latérale
résolution en épaisseur
résolution spatiale latérale et en épaisseur sont maximales en zone de focalisation +++
FOCALISATION DU FAISCEAU
• Sondes mécaniques : la focalisation mécanique est bi-D
lentille acoustique convexe à faible
célérité
céramique à face concave
dans 1 ou les 2 directions
FOCALISATION DU FAISCEAU
Focalisation mixte des barrettes électroniques
BUSHONG FIG 11-22
focalisation mécanique et fixe
dans l’épaisseur de coupe
focalisation électronique et réglable
dans le plan de coupe
FOCALISATION DU FAISCEAU
Focalisation dans l’épaisseur de coupe des sondes barrettes :
elle est mécanique et fixe
FOCALISATION DU FAISCEAU
Focalisation dans le plan de coupe des sondes barrettes :
elle est électronique et réglable en profondeur
BUSHONG FIG 11-21
FOCALISATION DU FAISCEAU
• Diminution de l’épaisseur du faisceau US :
sonde matricielle 1,5D
FOCALISATION DU FAISCEAU
• Diminution de l’épaisseur du faisceau US :
lentille « Hanafy »
FACTEURS DE RESOLUTION SPATIALE
• Résolution en épaisseur s’améliore avec :
– la focalisation en épaisseur
– la diminution de la taille du transducteur
• Résolution latérale s’améliore avec :
– la focalisation latérale
– la diminution de la taille du transducteur
– l’augmentation de la fréquence (moins de divergence)
• Résolution axiale s’améliore avec :
– la diminution de la longueur du pulse :
• l’augmentation de la fréquence
• un amortisseur de sonde dont Z est proche de Z élément
RESOLUTION AXIALE
• Dépend de la longueur spatiale du pulse (SPL)
AR = ½ SPL =  / 2 . nombre de cycles
résolution axiale en mm
RESOLUTION AXIALE
• La longueur du pulse dépend de :
– la fréquence de la sonde
– l’amortisseur de la sonde
3- LES SONDES ULTRSONORES
SONDES ULTRASONORES
• Phénomène de piézo-électricité :
– les cristaux piézo-électriques contiennent des dipôles
BUSHONG FIG 7-2
Repos: orientation
aléatoire
Courant : orientation
et dilatation
Polarité inverse:
orientation
inverse et contraction
SONDES US : Piézo-électricité
compression du
cristal => ddp
courant positif =>
dilatation du cristal
BUSHONG FIG 7-3
courant alternatif =>
vibrations sinusoïdales => US
SONDES ULTRASONORES
• Constitution :
– l’adaptateur
Z peau < Z adapt. < Z céramique
– la lentille acoustique
– l’élément piézo-électrique :
• céramique,
• cristaux
– l’amortisseur
SONDES US : Barrettes électroniques droites
SONDES US : Barrettes électroniques courbes
SONDES US : Endo-rectales
SONDES US : Intra-vasculaires
6- TRAITEMENT DU SIGNAL ET
FORMATION DE L’IMAGE
REPRÉSENTATION DU SIGNAL
Mode A : échos sur une ligne
imagerie uni-Di et fixe
Mode TM : balayage temporel
imagerie uni-Di et dynamique
Mode B : balayage spatial
imagerie bi-Di et dynamique
REPRÉSENTATION DU SIGNAL
Émission
Réception
BALAYAGE DU PLAN : sondes mécaniques
transducteur unique
oscillant
transducteur unique fixe avec
miroir acoustique oscillant
BALAYAGE DU PLAN : sondes mécaniques
BALAYAGE DU PLAN : sondes annulaires
plusieurs cristaux annulaires concentriques
focalisation dans les 3 dimensions
BALAYAGE DU PLAN : Barrettes électroniques
droites
- le faisceau est formé par une petit nombre d’éléments
- il demeure perpendiculaire à la barrette
- le balayage est électronique, non angulé
BALAYAGE DU PLAN : Barrettes électroniques
courbes
BALAYAGE DU PLAN : sondes « phased-array »
- le faisceau est formé par l’ensemble ou une partie des éléments
- le balayage est électronique, angulé / à la barrette
FORMATION D’IMAGE
FORMATION D’IMAGE
• Le récepteur :
– dans la sonde, les éléments qui reçoivent l’écho sont les
mêmes que ceux qui ont transmis le pulse
– l’amplitude des échos est beaucoup plus faible que celle des
pulses émis : 1 V à 1 µV
– ses fonctions sont :
•
•
•
•
la compression
l’amplification
la démodulation ou rectification
l’enveloppage ou lissage
LE RÉCEPTEUR
• Fonction de compression :
– la gamme dynamique du récepteur est de l’ordre de 120
dB, ie sa sensibilité lui permet de détecter des variations
d’amplitude de 1 à 1 000 000
– cependant, le convertisseur et, surtout, l’écran sont
beaucoup moins sensibles, ie limités à une gamme
dynamique beaucoup plus étroite (30dB)
– une compression logarithmique est donc nécessaire, en
privilégiant les échos faibles
100-120 dB => 30 dB
BURNS FIG 6
FORMATION D’IMAGE
• Le convertisseur numérique-analogique :
– restitue les valeurs binaires en signal vidéo fait de niveaux de gris
– ici aussi, certains post-traitements sont proposés pour moduler le
contraste sur l’image: zoom « à l’acquisition », renforcement de contour,
lissage...
LE RÉCEPTEUR
• L’amplification :
– on l’appelle aussi le « gain »
(gain à la réception)
– elle doit compenser le phénomène
d’atténuation avec la profondeur :
• time-gain compensation (TGC) ou
• depth-gain compensation (DGC)
JOUVE FIG 1-22
Objectif : avoir une image d’intensité homogène en profondeur
LE RÉCEPTEUR
• Exemples d’application de courbes TGC
correcte
incorrectes
FORMATION D’IMAGE
• Le convertisseur analogique-numérique :
– transforme les valeurs d’amplitude de chaque pulse
reçu en valeurs binaires
– chaque écho est stocké et mémorisé dans une
matrice 512x512 :
• tampon temporel nécessaire
entre la cadence de retour des échos
et la dynamique d’affichage
• elle stocke les coordonnées spatiales
de chaque écho en x,y
– l’adressage dépend de :
• la ligne US recevant l’écho (x)
• le temps de retour de l’écho (y)
FORMATION D’IMAGE
• Le convertisseur analogique-numérique :
– le valeur d’amplitude de chaque écho convertie en
valeurs binaires est également stockée dans la
matrice selon l’axe z dont la profondeur dépend du
nombre de bits:
• 6 bits = 64 niveaux de gris
• 8 bits = 256 niveaux de gris
JOUVE FIG 1-24
RÉSOLUTION EN CONTRASTE
• Elle se définit par :
– l’aptitude à détecter de faibles différences d’amplitude
• Elle est liée :
– à la dynamique ou différence entre amplitudes
minimale et maximale
• Elle dépend de :
– la sonde (amortisseur)
– de la profondeur de la matrice z (bits)
– des pré- et post-traitements
RÉSOLUTION TEMPORELLE OU
DYNAMIQUE
•
•
•
•
Elle correspond à la vitesse de balayage du plan
Elle détermine la cadence image
Elle est exprimée en Hz
Elle dépend de :
– la largeur du champ
– la profondeur d’exploration (qui détermine la PRF)
– le nombre de lignes US