Transcript Echographie et Ultrason
Echographie et Ultra sons
Ondes ultra sonores Paramètres de l’onde US Interactions avec la matière
Faisceau US Formation de l’image Séméiologie US Doppler
L’onde sonore
Les ondes sonores sont des ondes mécaniques se propageant dans les liquides et les solides.
Les US sont des ondes de pression se propageant en provoquant localement des variations de pression et des vibrations infimes de matière.
Paramètres de propagation de l’onde sonore
Fréquence = f = 1/T
Longueur d’onde
l
haute pression faible pression
Les particules du milieu étudié sont animées d’un mvt de va et vient ds l’axe de déplacement de l’onde ultrasonore : Analogie avec un ressort
Molécules
Nature de l’onde sonore
dépression compression Onde sonore dépression temps compression En observant la forme sinusoïdale de la figure ci-contre, et en se basant sur le modèle de l’onde progressive, on définit une onde sonore de propagation par: D
p
= D
p
0 sin (
k x
w
t
)
où k
= 2 l p et w = 2
T
p
Domaine de l’onde sonore
L’oreille humaine perçoit les ondes sonores pour les fréquences f comprises entre 20 Hz (son grave) et 20000 Hz (son aigu). Le domaine du son est beaucoup plus étendu : les vibrations sismiques, certaines machines, des hauts parleurs de basses fréquences, émettent des fréquences en dessous de 20 Hz: ce sont les infrasons. À l’autre extrémité, on retrouve les ultrasons.
Infrasons Sons audibles Ultrasons f < 20 Hz 20 Hz < f < 20 kHz 20 kHz < f < 20 MHz
Paramètre 1 : La célérité est la vitesse de propagation de la variation de pression dans le milieu.
Milieu air graisse foie muscle os Célérité (m/s) 343 1410 à 1470 1535 à 1580 1545 à 1630 2100 à 4080 Dans les tissus mous, la célérité varie peu : valeur moyenne = 1540 m/seconde.
L’ impédance est la résistance d’un milieu à la pénétration d’une onde US. Elle traduit son aptitude à reprendre se forme originale après déformation.
z
= r
Z = impédance acoustique,
=
compressibilité du milieu,
r
= masse volumique
.
Elle s’exprime en kg/m2/s.
Milieu Air Eau à 20° Sang Rein et Rate Foie Muscle Os Impédance Z exprimée en 10 6 kg/m 2 /s, en Rayleigh 0,0004 1,48 1,61 1,62 1,63 à 1,67 1,67 à 1,76 3,65 à 7 L’ impédance conditionne la célérité de l’onde US.
C = Z /
r
Paramètre 2 : La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde.
f = 1 / T
Elle s’exprime en Hertz.
1 Hz = 1 cycle/s
Paramètre 3 : La longueur d’onde : est le nombre d’oscillations par seconde.
l
= c / f = c T
f = 10 MHz,
l
f = 5 MHz,
l
f = 2 MHz,
l
= 0.15 mm = 0.31 mm = 0.77 mm
Paramètre 4 : L’intensité acoustique est la quantité totale d’énergie traversant l’unité de surface par unité de temps.
I
=
p
2 2 r
c
avec I = intensité, p = pression acoustique, r = masse volumique, c = célérité L’intensité acoustique s’exprime en watts/cm 2 .
A titre d’exemple, en échographie, l’intensité de l’onde acoustique est approximativement de 100 mwatts/cm2, alors qu’elle est de l’ordre de 1 à 3 watts/cm2 en physiothérapie .
Intensité de l’onde sonore
L’oreille humaine est sensible à des intensités sonores allant de 10 -12 W/m 2 à 1 W/m 2 , soit un rapport de 1 à 1 000 000 000 000. Pour ramener cette large échelle d’intensités à une échelle plus réduite qui exprime mieux la sensibilité de nos oreilles aux variations de niveau sonore, on a adopté la notation logarithmique et créé le décibel (dB).
b =
10 log
I I
0
Où
I
est l’intensité mesurée et
I 0
est une valeur de référence. Si l’on prend
I 0
égal à 10 -12 W/m 2 , le seuil d’audibilité correspond à b = 0 dB.
Interaction des ondes avec la matière :
Atténuation
Réfraction / réflexion
Diffusion
Atténuation I
transmise
= I(l) = I
o
exp
(-
m
l) 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.
l = distance à la source, I 0
m
= intensité initiale , = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.
Si l’on compare 2 intensités I initiale et I transmise, on définit l’atténuation A = 10 log (I transmise / I initiale ) A s’exprime en décibels (db)
a
= A / l en db / cm et
a
= 10
m
/ 2.3
Le coefficient d’atténuation varie selon le tissu Tissus
Sang Graisse Foie Muscle Os a/MH
z en dB/cm/MHz
0,1 0,5 1 1,5 10 Poumon 20
Le coefficient d’atténuation
a
du faisceau ultrasonore.
a
définit le pouvoir de pénétration est proportionnel à la fréquence.
Quand la fréquence augmente, l’atténuation croît
.
En première approximation, on peut considérer que pour les tissus mous, l’atténuation moyenne est de 1 dB/cm/MHz. En fait, elle varie de 0,3 à 1,5 dB/cm/MHz
En pratique
Atténuation La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration :
Fréquence des ultrasons 2,5 - 3,5 MHz 5 MHz 7,5 MHz 10 - 12 MHz Profondeur d'exploration maximale > 15 cm 10 cm 5-6 cm 2-3 cm
Réfraction / réflexion
0 Angle à 90 Onde incidente Onde réfléchie Onde transmise
R
=
I r I i
= (
Z
2 (
Z
2 +
Z
1 )
Z
1 ) 2 2
T
=
I t I i
= 4 (
Z
2
Z
1 +
Z
2
Z
1 ) 2
R = coefficient de réflexion, I i = intensité incidente, I r Z 1 = impédance du milieu 1, Z 2 = intensité réfléchie, = impédance du milieu 2.
Réfraction / réflexion
Angle autre que 90°
sin sin
t i
=
c c
2 1
R = [(Z 2 cos
i T = 4 Z 2 Z 1 – Z 1 cos
t )/( Z 2 cos
i cos
i cos
t /( Z 2 cos
i + Z 1 cos
t )] 2 + Z 1 cos
t ) 2 En pratique échographique, le phénomène de réfraction est généralement négligeable, car les différences de célérité des tissus biologiques sont faibles et les incidences utilisées voisines de celles de la normale (
= 0).
Réflexion: graisse/peau
1 Z graisse = 1.38
,0064 Z peau = 1.62
,994
R
=
I r I i
=
Z
2 (
Z
2 +
Z
1
Z
1 ) 2 2
T
=
I t I i
= 4 (
Z
2
Z
1 +
Z
2
Z
1 ) 2
Réflexion: air/peau
1 Z air = 0,0004 .999
Z peau = 1,62 .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 dont l’impédance acoustique est voisine de celle de l’épiderme
Diffusion : émission dans toutes les directions d’une fraction de l’énergie par des cibles de petite taille devant le longueur d’onde.
Bords des structures : réflexion aux interfaces Echostructure : diffusion
Principe de fonctionnement de la sonde
Le transducteur Un transducteur est un élément qui transforme une forme d'énergie en une autre. Pour les sondes d'échographie, l'énergie électrique est convertie en ultrasons et vice versa. Le transfert d'énergie utilise l'effet piézoélectrique.
Principe de fonctionnement de la sonde
L’effet piézoélectrique L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Certains matériaux, comme les cristaux de quartz, ont la propriété de se charger lorsqu'ils sont comprimés et, inversement, de se déformer (comprimer) lorsqu'ils sont chargés. Les transducteurs contenus dans les sondes d'échographie sont généralement des céramiques de Plomb Zirconate de Titane (PZT).
Principe de fonctionnement de la sonde
L’effet piézoélectrique + + + + + En appliquant un courant alternatif sur un cristal piézoélectrique, le cristal se comprime et se décomprime alternativement et émet un son dont la fréquence dépend des caractéristiques du cristal. Le même élément est utilisé pour transformer en courant électrique les ultrasons qui reviennent vers la sonde après avoir été réfléchis.
Principe de fonctionnement de la sonde
L’effet piézoélectrique émetteur récepteur La sonde n'émet donc pas des ultrasons en continu, mais en salves. Pendant le reste de temps, la sonde est "à l'écoute" pour capter les ultrasons.
La durée des salves est très courte, de l'ordre de quelques microsecondes, et correspond à l'émission de 3 cycles environ en moyenne. La durée de la période d'attente est plus longue, de l'ordre de la milliseconde. La fréquence de répétition du cycle est donc de l'ordre du kHz, ce qui donne l'impression d'une imagerie en temps réel.
Le faisceau ultrasonore
D l f D
La zone de Fresnel : cylindrique, son étendue dépend du diamètre du cristal, de la fréquence d’émission et de la célérité l = longueur de la zone, D = diamètre de la source, f = fréquence
2f D l =
D
2
f
4
c
f D/2 etc ...
La zone de Franhofer : conique, elle est plus éloignée de la source. Le faisceau est divergent selon un angle au diamètre de la sonde.
. La divergence est inversement proportionnelle à la fréquence et
sin = 1 , 22
c Df
Formation de l’image : mesure de la distance
Source Stationnaire f ct = 2d c = 1540 m/s v ultrason
Ex : pour explorer 20 cm de pdf Temps de recueil des échos : t = 2d/c t = 260 m s Cadence de 1/ 260.10
-6 = 3846/s
Source Stationnaire f v ultrason
Formation de l’image : exemple du sonar
Séméiologie ultrasonore
Les liquides
Les calcifications
L’air
Les parenchymes
Les liquides anéchogènes +++ renforcement postérieur
Les calcifications hyperéchogènes +++ cône d’ombre postérieur
L’air : artefacts aériques aérobilie abcès avec formation de gaz
Les parenchymes
Le foie
Le rein
L’utérus
Voie sus pubienne Voie endovaginale
Les ovaires
Le testicule
La prostate
Voie sus pubienne Voie endorectale
La vessie
Echographie obstétricale
Dg de grossesse Datation de la grossesse Recherche de malformation Position du placenta
Echographie trans fontanellaire
Echographie mammaire
Echographie ostéo articulaire
Rupture partielle d’un tendon extenseur
La thyroide
Echographie cardiaque Echographie trans oesophagienne
Cavités Valves Doppler
Les biopsies Un prélèvement : une carotte.
Le Doppler
Principe de l’effet doppler
La vélocimétrie par effet doppler est fondée sur la variation de fréquence que subit un faisceau ultrasonore lorsqu’il est rétrodiffusé par des cibles en mouvement.
D
f = F réception – F émission
La différence de fréquence (
D
F) est positive si la cible se rapproche de la source. (Fr > Fe) La différence de fréquence (
D
F) est négative si la cible s’éloigne de la source. (Fe < Fr) En pratique médicale,
D
F est comprise entre 50 Hz et 20 KHz. Il s’agit donc d’une fréquence audible.
Angle doppler
= l’angle qui existe entre le faisceau ultrasonore et l’axe de déplacement de la cible.
D
f = 2 Vf e cos
/C
V = vitesse de la cible C = célérité des ultrasons (1540 m/s) f e = fréquence d’émission = angle entre le faisceau ultrasonore et l’axe des particules
Effet Doppler
V =
D
f c 2 fe cos
V
Il faut être tangent au grand axe du vaisseau.
(cos 90° = 0)
f = fréquence de l’onde émise v = vitesse de la cible c = vitesse de l’onde sonore dans le milieu = angle entre la ligne de “
visée
” et la direction du mouvement.
Spectre Doppler
La brillance traduit l’énergie, Elle augmente avec la densité de GR.
•
Le signal Doppler contient 4 informations : la fréquence Doppler proportionnelle aux vitesses détectées
•
l’intensité proportionnelle à la quantité de particules
•
produisant la fréquence doppler la variation dans le temps des informations précédentes.
•
une information spatiale en cas d’utilisation d’un Doppler couleur
Le Doppler pulsé
Le doppler pulsé utilise une sonde à cristal unique, émettrice et réceptrice. Le transducteur émet de façon discontinue les impulsions ultrasonores de fréquence F. La fréquence de répétition des impulsions est appelée PRF (Pulse Repetition Frequency).
Un système électronique pilote le délai émission-réception. Il est donc possible de déterminer la profondeur à explorer. Pour un vaisseau profond, le délai entre l’émission et la réception est grand. Le signal est enregistré et analysé pendant ce qu’on appelle une « fenêtre d’écoute » dans l’intervalle de temps qui sépare les émissions successives. Le délai d’apparition traduit la profondeur du vaisseau. La fréquence propre est différente de la fréquence d’émission, car elle traduit la vitesse des particules par rapport à la sonde.
Une imagerie par échographie pour identifier un vaisseau est associée au doppler pulsé de façon à obtenir un enregistrement sélectif..
Émission F Réception : F +
D
f Signal doppler
D
f
Théorème de SHANNON La fréquence de répétition du pulse (PRF = Pulse Repetition Frequency) est l’inverse de l’intervalle de temps séparant deux impulsions ultrasonores. Pour observer un phénomène répétitif fréquentiel, la fréquence de l’échantillonnage doit être supérieure ou égale à deux fois la fréquence de ce phénomène.
PRF
2 D
f
La PRF détermine le seuil critique des fréquences, c’est à dire des vitesses maximales détectables. Lorsque ce théorème n’est pas respecté, il se produit un phénomène de repliement spectral appelé « aliasing ».
Sous échantillonage par la courbe pleine
Spectre artériel
Flux triphasique à haute résistance d’aval : aorte, carotide Pic systolique, reflux proto-diastolique, flux diastolique Fenêtre sombre sous systolique
Spectre artériel
Flux biphasique à basse résistance d’aval : Flux des vaisseaux à destinée parenchymateuse Les GR ont des vitesses différentes (rapides au centre du vx, plus lentes en le long des parois) Pic systolique ample, décroissance lente avec vitesses diastoliques positives Absence de fenêtre sombre sous systolique Index de résistance
Vsyst
.
max -
Vtélédiast
.
min
Vsyst
.
max
Spectre veineux Flux continu modulé par la respiration (ex branche portale)
Le Doppler pulsé
Les + : Quantification vitesse, IR Couplage à d’autres technique (écho, dopler couleur ..) Les - : Profondeur limitée P = C/2PRF Aliasing Vitesse maximale détectée limitée
Le Doppler couleur
Généralisation du doppler pulsé, multiple fenêtres d’écoute, code couleur du sens du flux
En doppler couleur, les turbulences paraissent codées en vert ou en jaune.
Le Doppler couleur
Les + : Repérage anatomique Localisation et sens du flux Recherche de turbulence Les - : Absences de données quantitatives Aliasing
Le Doppler énergie
Intégration de l’amplitude totale du signal, sans analyse spécifique des fréquences, signal résultant intense.
Le Doppler énergie
Les + : Repérage anatomique Détection des petits vaisseaux Pas d’aliasing Les - : Absence de données quantitatives Absence d’indication sur le sens du flux
Les limites de l’échographie
Les traitements écho guidés
Bursite sous-acromio deltoïdienne et tendinose du supra épineux, sans rupture transfixiante.
Infiltration de corticoides
Le traitement par radiofréquence guidé par US
Générateur RF un courant sinusoïdal (F= 400-500 KHz ) qui mobilise les ions contenus dans le tissu traité : leur agitation est responsable d'une friction des particules entre elles, provoquant un échauffement des tissus qui conduit à une nécrose de coagulation .
(le principe est superposable à celui des micro-ondes qui utilise une fréquence 10 fois plus élevée).
Mesure de la puissance du générateur (inférieure à 150 W), du courant, de la température à l'extrémité de l'électrode (arrêt automatique lorsque la température atteint 100 °C) et le temps d'application de l'énergie RF. Cette énergie est délivrée au tissu par une électrode, constituée par une aiguille fine (17 G), recouverte d'un isolant, à l'exception de son extrémité distale active.
L'électrode est placée dans la tumeur sous le contrôle de l'imagerie (US) ; le courant émane de son extrémité distale, dénudée (sur une longueur de 2 à 3 cm selon les électrodes) cette énergie, alors qu'elle tente d'atteindre la plaque neutre préalablement placée sur la cuisse du patient, est convertie en chaleur et au delà de 60 °C la mort cellulaire est irréversible.
La destruction RF est douloureuse : neuroleptanalgésie avec anesthésie locale.
Le courant est délivré pendant une durée comprise entre 15 et 20 mn par nodule. Une destruction thermique par RF du trajet de l'aiguille est effectuée lors du retrait de celle-ci (risque : essaimage).
Les Ultra sons en Thérapeutique : la chimiothérapie localisée Des drogues toxiques, encapsulées se dirigeraient vers la tumeur, une onde ultra sonore les libéreraient et l’ efficacité serait optimale localement.
Les Ultra sons en Thérapeutique : le cancer de la prostate
L’ ablatherm
L'Ablatherm® utilise la technique des ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU :
High Intensity Focused Ultrasound
) : une sonde, placée dans le rectum sous anesthésie locorégionale, permet d'envoyer des ultrasons qui, par leur concentration, provoquent une augmentation brutale de la température (85-100 degrés) détruisant ainsi le tissu situé dans la zone ciblée.
Les Ultra sons en Thérapeutique : le fibrome utérin L'ExAblate 2000 Pendant le traitement avec l'ExAblate 2000, la patiente est allongée dans l'appareil IRM qui fournit des images tridimensionnelles du fibrome et des tissus environnants, permettant un guidage précis des ondes ultrasonores vers les tissus visés. Ces ondes sont dirigées au travers des tissus et, au point focal, vont provoquer une élévation de la température des tissus ciblés, entraînant leur destruction. L'IRM Signa de GE Healthcare permet de contrôler le résultat du traitement en mesurant en temps réel la dose thermique reçue par le tissu visé.