Transcript Principes physiques en échographie

Principes physiques en échographie Annie Rousseau, MD FRCPC IUCPQ Septembre 2014 Objectifs   Comprendre comment choisir une sonde d’écho en fonction de ce que vous voulez voir   Comment optimiser vos images   Identifier les artefacts   Ce cours n’est PAS suffisant si vous voulez passer le Board d’échographie cardiaque Quiz   Quelle(s) onde(s) suivante(s) n’ont pas besoin d’un médium pour se déplacer? –  Lumière –  Chaleur –  Son –  Ondes radio/télé Réponse   La lumière, la chaleur et les ondes radio/télé peuvent se propager dans le vide et n’ont pas besoin d’un médium L’onde sonore   Onde mécanique, dans laquelle les particules d’un medium se déplacent longitudinalement   Identifiée par l’oscillation d’une des 3 variables acoustiques: –  Pression (Pascal) –  Densité (kg/cm3) –  Distance (cm) Interférence   Les ondes peuvent s’additionner ou se soustraire L’onde sonore   7 paramètres acoustiques la définissent: –  Période –  Fréquence –  Amplitude –  Puissance –  Intensité –  Longueur d’onde –  Vitesse de propagation Lesquels pouvez-­‐vous ajuster sur la machine? L’onde sonore   7 paramètres acoustiques: –  Période –  Fréquence –  Amplitude –  Puissance AJUSTABLES PAR L’OPÉRATEUR –  Intensité –  Longueur d’onde –  Vitesse de propagation Période   Le temps requis pour compléter un cycle   Déterminée par la source   Ne peut être ajustée par l’opérateur   L’inverse de la fréquence   Période x Fréquence = 1 Fréquence   Nombre d’événements par période de temps   Hertz: événements/seconde   Déterminée par la source   Non ajustable par l’opérateur   Important car la fréquence affecte la pénétration dans les tissus et la qualité de l’image Fréquence   Bande passante: toutes les sondes contiennent un éventail de fréquences plus ou moins large   Les sondes d’imagerie ont une large bande passante: –  2.5 à 3.5 MHz imagerie abdominale générale, ETT –  5.0 à 7.5 MHz imagerie superficielle, ETO –  8.0 à 15 MHz blocs superficiels (ex. interscalénique) ou périphériques   Les sondes de traitement ou de Doppler continu ont une bande passante étroite Amplitude   La différence entre la valeur maximale et la moyenne.   Peut être exprimée en fonction de la pression (Pascals), la densité (g/cm3) ou du mouvement des particules (cm)   En terme relatifs, exprimée en décibels (dB)   Déterminée par la source initialement, mais diminue en se propageant, donc affectée aussi par le médium   Ajustable par l’opérateur Quiz   Une onde a une densité maximale de 60 lb/in2, et une densité minimale de 20 lb/in2, quelle est son amplitude? Réponse   (60 – 20)/2 = 20 lb/in2 Décibels (dB)   Échelle logarithmique   dB = 20 log(V/R)   Truc: une variation de 6 dB représente une variation d’un facteur 2 de l’amplitude   Une variation de 3 dB représente une variation de 2 de l’intensité. Puissance   Taux de transfert d’énergie, ou taux auquel un travail est effectué   Exprimé en watts   Déterminée initialement par la source, mais diminue en se propageant, donc dépend aussi du médium   Ajustable par l’opérateur   Puissance α amplitude2 Intensité   La concentration d’énergie dans un faisceau sonore   Intensité (W/cm2) = puissance (W)/ aire (cm2)   Déterminée initialement par la source, mais diminue en se propageant, donc dépend aussi du médium   Ajustable par l’opérateur Quiz   Un échographiste ajuste la puissance de l’onde émise par la sonde. Qu’est-­‐ce qui change aussi? –  La période de répétition du pulse (PRP) –  La fréquence de répétition du pulse (PRF) –  La vitesse de propagation –  L’intensité Réponse   L’intensité car elle est proportionnelle à la puissance : –  Intensité (W/cm2) = puissance (W)/ aire (cm2)   Le PRP et le PRF vont changer seulement si on modifie la profondeur de l’image   La vitesse de propagation change seulement si le médium change Longueur d’onde   La distance d’un cycle complet, en mm   Déterminée par la source et le médium   Ne peut être ajustée par l’opérateur   Longueur d’onde = vitesse de propagation/fréquence = 1.54 mm/
µs / fréquence (MHz)   Les courtes longueurs d’onde sont produites par une haute fréquence, et produisent une meilleure qualité d’image, car la résolution = 1-­‐2 longueur d’onde, mais pénètrent moins loin les tissus. Quiz   En échographie standard, qu’arrive-­‐t-­‐il à la longueur d’onde lorsque l’onde se propage? –  Augmente –  Diminue –  Reste la même Réponse   Certains paramètres changent alors que l’onde se propage dans les tissus. La période, la fréquence et la longueur d’onde restent les mêmes. Vitesse de propagation   Exprimée en mm/µs   Déterminée par le médium uniquement   Non ajustable   Dans les tissus mous, en moyenne 1.54 mm/
µs (1.54 km/s) Vitesse de propagation   Rigidité: –  La capacité d’un médium à se comprimer –  Plus le médium est rigide, plus l’onde se déplace vite –  Plus d’influence sur la vitesse que la densité   Densité: plus le médium est dense, moins l’onde se déplace vite Quiz   En règle générale, quel est l’ordre croissant de vitesse de propagation dans les média suivants? –  Gaz, solide, liquide –  Liquide, solide, gaz –  Solide, liquide, gaz –  Gaz, liquide, solide Réponse   Gaz, liquide, solide Quiz   Quelle est la caractéristique des ondes de plus de 20 000 Hz comparées à celles de moins de 20 000 Hz? –  Elles voyagent plus efficacement dans les tissus mous –  Elles voyagent plus vite –  Elles s’atténuent moins quand elles voyagent dans des tissus mous –  Les humains ne peuvent les entendre Réponse   On ne peut les entendre.   La fréquence d’une onde n’a pas d’impact sur sa vitesse de propagation.   Les hautes fréquences s’atténuent plus rapidement que les basses fréquences. Ondes pulsées   Une collection de cycles qui voyagent ensemble, comme une seule unité   Nécessaire pour créer une image anatomique Ondes pulsées – Durée de pouls   Le temps entre le début et la fin du pouls   Déterminée par la source   Non ajustable par l’opérateur   Durée (µs) = # cycles x période (µs) ou   Durée (µs) = # cycles / fréquence (MHz)   Plus le pouls est bref, plus l’image est précise Ondes pulsées – Longueur de pouls   Distance entre le début et la fin du pouls   Déterminée par la source et le médium   Longueur = #cycles x longueur d’onde (mm)   Non ajustable par l’opérateur   On favorise de courtes longueurs pour une meilleure précision d’image Ondes pulsées – Période de répétition de pouls (PRP)   Le temps entre le début d’un pouls et le début d ’un autre   Déterminée par la source seulement   Ajustable par l’opérateur, en ajustant la profondeur d’image. Plus on image profondément, plus le PRP augmente   N’a rien à voir avec la période de l’onde Ondes pulsées – Fréquence de répétition de pouls (PRF)   Le nombre de pouls transmis par seconde (peu importe le nombre de cycles par pouls), exprimé en Hertz   Déterminé uniquement par la source   Ajustable par l’opérateur en ajustant la profondeur d’image   N’a rien à voir avec la période de l’onde   PRP x PRF = 1 Résumé -­‐ Ondes pulsées Interaction Son-­‐Médium   De faibles réflexions sont créées quand le son frappe la limite entre deux médias différents. C’est la base de l’échographie.   Plus le son se propage, plus il s’atténue. Plus il peut aussi changer de direction. Atténuation   Déterminée par: –  la distance: la pénétration est limitée à 200 longueurs d’onde –  la fréquence: les hautes fréquences s’atténuent plus rapidement –  Le mismatch d’impédance acoustique Atténuation   Ce qui contribue à l’atténuation: –  Réflexion –  Scattering –  Absorption Réflexion   Dépend du changement d’impédance acoustique entre les deux média –  Z = p x c, où p = densité et c = vitesse de propagation   Le retour optimal: incidence à 90o , donc attention à comment vous tenez votre sonde!   Spéculaire: si la surface est lisse, réflexion organisée vers une seule direction (comme un miroir)   Diffuse (backscatter): si la surface est irrégulière Réflexion Scattering   Radiation de l’énergie dans toutes les directions   Survient avec les structures de moins d’une longueur d’onde   La base de l’échographie Doppler Scattering   Rayleigh scattering: –  Si la structure est beaucoup plus petite que la longueur d’onde, comme un globule rouge. –  Scattering organisé, multidirectionnel, comme un goutte de pluie qui tombe dans l’eau –  Proportionnel à la fréquence4 Absorption   Conversion en chaleur, responsable des bioeffets. –  On ne laisse pas une sonde d’ETO en fonction continuellement…   Directement proportionnelle à la fréquence. –  … surtout si on est en mode harmonique, parce que la fréquence mesurée est le double de la fréquence émise par la sonde. Réfraction   Changement de direction dans la propagation de l’onde en passant d’un médium à un autre.   Deux conditions: –  Incidence oblique –  Vitesses de propagation différentes Réfraction   Loi de Snell –  Sin(angle de transmission)/sin (angle incidence) = V2/V1 Effet piézoélectrique   Propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique   Si on applique un courant alternatif, suite de compressions et d’expansions = onde ultrasonique   La fréquence dépend de la nature et de l’épaisseur du cristal. Effet piézoélectrique Effet piézoélectrique Le transducteur Le transducteur   Élement actif ou cristal –  Fait d’un matériau piézoélectrique (PZT): lead zirconate titanate –  Ne survient pas spontanément: doit être polarisé par un fort champ électromagnétique et chauffé à une certaine température (point de Curie) –  Toujours une demie longueur d’onde d’épaisseur Le transducteur   Matching layer: –  Permet de diminuer la différence d’impédance entre le cristal et la peau pour diminuer la réflexion. –  Mesure ¼ de longueur d’onde   Gel: même effet, diminue la différence d’impédance Le transducteur   Backing material: –  Permet d’atténuer la résonnance du cristal, sinon le pulse sera trop long, et ceci dégrade la résolution axiale. –  Désavantage:   Diminution de la sensibilité (diminue la vibration durant la réception)   Augmente la bande passante Le transducteur   On peut endommager irréversiblement (dépolariser) le cristal en le soumettant à une température plus haute que le point de Curie   On désinfecte les sondes au Cidex, pas de stérilisation à l’autoclave Principe   Le système détermine la profondeur d’un objet en mesurant le temps requis pour un pulse de faire un aller-­‐retour Le faisceau sonore   Near zone: zone de Fresnel   Far zone: zone de Fraunhofer Résolution axiale   Capacité de distinguer deux structures très proches et parallèles au faisceau sonore   Directement reliée à la longueur spatiale de pouls et à sa durée   Non ajustable par l’opérateur Résolution axiale Résolution latérale   Capacité de distinguer deux structures côte à côte, perpendiculaires au faisceau sonore   Déterminée par la largeur du faisceau sonore (mieux si le faisceau est étroit/au focus), donc varie avec la profondeur. Résolution latérale Images en 2D   Deux défis: –  Le son voyage en ligne droite –  Le faisceau doit être étroit pour une bonne résolution latérale Types de transducteurs   Sector array –  Cristaux en parallèle ou   Linear array –  Cristaux en parallèle en cercles concentriques –  La face du transducteur –  La face du transducteur est courbe –  Produit une image en est plate –  Produit une image secteur ou en pointe de tarte rectagulaire Linear phased-­‐arrays   Pas de partie mobile mécanique   100 à 300 éléments en ligne   Le faisceau est dirigé électroniquement, tout comme le focus Linear phased-­‐arrays Linear phased-­‐arrays Résolution élévationnelle   «Épaisseur de tranche»   Est-­‐ce que l’image se trouve directement dans le plan imagé ou au-­‐dessus et en-­‐dessous? Side lobes   Surviennent dans le champ lointain   Vont dégrader la résolution latérale s’ils sont assez intenses   Créent des artéfacts Grating lobes   Une sous-­‐classe de side lobes   Créés par les arrays-­‐
transducers   Intensité généralement plus importante Apodization Pour diminuer la force des side lobes et grating lobes Images en temps réel   Frame rate: –  le nombre d’image complète par seconde –  dépend de la vitesse de propagation, de la profondeur d’image et du nombre de pulses par image –  directement proportionnel à la résolution temporale Images en temps réel   Résolution temporale –  Capacité de positionner précisément les structures mobiles dans le temps   Tableau 13.6 Le système échographique   Deux fonctions: –  Préparation et transmission des signaux électriques vers le transducteur –  Réception des signaux électriques, et processing   Quelques notions sur l’ajustement de la machine Transducer output   i.e. la magnitude de l’influx électrique   Plus le voltage est haut, plus le faisceau est fort et l’image brillante. Plus il y a de bioeffets pour le patient.   Synonymes: output gain, acoustic power, pulser power, energy output, transmitter output, power Bruit (noise)   Perturbations persistantes et aléatoires qui réduisent la clarté du signal.   Ratio signal-­‐bruit: –  compare la quantité d’info utile vs le bruit –  Ratio élevé: image de bonne qualité –  Ratio bas: moins de valeur diagnostique   Si l’output du transducteur est bas, il y a plus de risque de contamination par le bruit Processus de réception   Amplification   Compensation   Compression   Démodulation   Rejet Amplification   Synonyme: gain du récepteur   Affecte toute l’image, chaque signal est amplifié de la même façon   N’améliore pas le ratio signal-­‐bruit   Valeurs typiques 60-­‐100 dB Compensation   Corrige l’atténuation   Ajustable selon la profondeur   Synonymes: time-­‐gain compensation, depth gain compensation, swept gain Compression   Garde l’échelle de gris à l’intérieur de la perception de l’œil humain   N’altère pas l’ordre de grandeur des signaux   Synonyme: log compression, dynamic range Rejet   Contrôle le niveau des signaux de basse amplitude   Synonyme: threshold, suppression Output vs gain   L’output augmente la force du faisceau mais augmente les bioeffets   Le gain modifie le voltage dans les canaux durant la réception, n’affecte pas le patient. Devrait être la première étape pour augmenter la brillance de l’image, ensuite l’output. Harmoniques Harmoniques   Création d’une image à partir de réflexions qui ont le double de la fréquence transmise (fréquence fondamentale)   La force des harmoniques croit à mesure que le son voyage, i.e. surviennent à une plus grande profondeur tissulaire, moins de distorsion et de bruit   Augmente le ratio signal-­‐bruit   Surviennent dans le faisceau central, pas dans les side lobes Artéfacts   Réflexions qui ne sont pas: –  Réelles –  Vues sur l’image –  De forme ou de taille correcte –  De position correcte –  De brillance correcte Artéfacts   Causes: –  Violation d’hypothèse de base –  Dysfonction d’équipement –  La physique des ultrasons –  Une erreur de l’opérateur Hypothèses de base en écho   Le son voyage en ligne droite   Le son voyage directement sur un réflecteur et revient   Le son voyage à exactement 1540 m/s   Les réflexions proviennent uniquement de structures situées dans l’axe principal du faisceau   Le plan de l’image est très mince   La force de réflexion est reliée aux caractéristiques du tissu créant la réfléxion Réverbération   Échos multiples à la même distance les uns des autres, parallèles à l’axe du faisceau   Causé par le rebond entre deux réflecteurs forts   Surviennent plus loin que les réflecteurs Queue de comète   Ligne solide hyperéchoïque, parallèle à l’axe du faisceau   Fusion de réverbérations très rapprochées Ombre   Région hypo ou anéchoïque distale à une structure très atténuante Edge shadow   Région hypoéchoïque sous le rebord d’un réflecteur courbe   Réfraction à cause de la courbure du réflecteur Renforcement postérieur   Zone hyperéchoïque au-­‐
delà d’une structure peu atténuante; l’opposé de l’ombre   Utile en clinique pour caractériser les tissus Image miroir   Réflexion du son sur un réflecteur fort, redirigée vers une deuxième structure   L’artéfact est toujours plus profond que la vraie structure Erreur de vitesse   Si la vitesse est plus basse que 1540 m/s, l’image est incorrectement loin de la vraie cible   Si la vitesse est plus élevée, l’image est plus près que la réalité   Image en forme de marche Lobes   Une deuxième copie d’un vrai réflecteur   Impossible de distinguer la vraie image de la fausse, sauf en faisant plusieurs incidences Réfraction   Survient s’il y a un changement de direction du faisceau, à une interface de deux impédances différentes   Dégrade la résolution latérale   Les deux images sont à la même profondeur, côte à côte Doppler   Effet Doppler (Hz) = f réfléchie -­‐ f transmise   Positif: quand le sang vient vers la sonde   Négatif: quand le sang s’éloigne de la sonde Doppler   Effet Doppler (Hz) = 2 x vélocité x f x cosΘ vitesse de propagation   Rapporté en m/s pour commodité   Rappel: –  Cos 0o = 1.0 –  Cos 30o = 0.87 –  Cos 90o = 0 Doppler continu   Requiert 2 cristaux: transmission et réception continues simultanées   Avantage: mesure très précise de la vélocité   Désavantages: –  La position ne peut être déterminée avec précision (range ambiguity) –  Pas de Time Gain Compensation Doppler pulsé   Alternance émission et réception   Avantage: sélectionne l’emplacement exact de la mesure en positionnant le curseur (sample volume or gate)   Désavantage: imprécision aux hautes vélocités (aliasing) Aliasing   Alias = fausse identité   Erreur la plus commune, survient avec le Doppler pulsé seulement   Les très hautes vélocités dans une direction sont représentées dans la direction opposée. Limite de Nyquist   La plus haute fréquence ou vélocité qui peut être mesurée sans l’apparition d’aliasing   Limite de Nyquist (Hz) = PRF (Hz) / 2 Éviter l’aliasing   2 façons d’éviter l’aliasing: –  Augmenter la limite de Nyquist (échantillonner en superficie) –  Diminuer l’effet Doppler (sonde de basse fréquence)   Ajustements sur la machine: –  Échelle au maximum –  Mobiliser la ligne de base –  Utiliser le Doppler continu Color flow Doppler   Doppler en 2D   Technique pulsée   Sujet à l’aliasing   Mesure les vélocités moyennes Cartes de couleur   Convertit les vélocités en couleur   2 modes: –  Vélocité: infos sur la vélocité et la direction du flot –  Variance: en plus, distingue le flot laminaire du flot turbulent Artefacts Doppler   Ghosting (Doppler couleur) and clutter (Doppler spectral): –  Causé par des structures qui bougent mais qui ne sont pas du sang –  Utiliser un filtre pour couper les effets Doppler de basses vélocités Artefacts Doppler   Crosstalk: –  Effet miroir –  Seulement avec le Doppler spectral –  Causé par:   Le gain est ajusté trop haut   L’angle d’incidence est près de 90o Optimiser le Doppler couleur   Incidence normale: pas de flot à 90o Optimiser le Doppler couleur   Le gain Optimiser le Doppler couleur   Le gain en Doppler spectral Optimiser le Doppler couleur   Aliasing Renversement de flot vs aliasing   Si les deux couleurs qui se touchent passent par le centre de la carte, il y a renversement de flot Références   Understanding Ultrasound Physics, Sidney K. Edelman. 4th Edition 2012. ISBN 0-­‐9626444-­‐5-­‐5