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Echographie et Ultra sons. Ondes ultra sonores Paramètres de londe US Interactions avec la matière Faisceau US Formation de limage Séméiologie US Doppler.

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1 Echographie et Ultra sons

2 Ondes ultra sonores Paramètres de londe US Interactions avec la matière Faisceau US Formation de limage Séméiologie US Doppler

3 Londe 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.

4 Paramètres de propagation de londe sonore haute pression faible pression Longueur donde Fréquence = f = 1/T Les particules du milieu étudié sont animées dun mvt de va et vient ds laxe de déplacement de londe ultrasonore : Analogie avec un ressort

5 Nature de londe sonore Moléculescompressiondépression Onde sonore En observant la forme sinusoïdale de la figure ci-contre, et en se basant sur le modèle de londe progressive, on définit une onde sonore de propagation par: temps dépressioncompression Variation de pression txkpp - sin 0 T koù 2 et 2

6 Domaine de londe sonore Loreille humaine perçoit les ondes sonores pour les fréquences f comprises entre 20 Hz (son grave) et 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 lautre extrémité, on retrouve les ultrasons. 20 kHz < f < 20 MHzUltrasons 20 Hz < f < 20 kHzSons audibles f < 20 HzInfrasons

7 La célérité est la vitesse de propagation de la variation de pression dans le milieu. MilieuCélérité (m/s) air343 graisse1410 à 1470 foie1535 à 1580 muscle1545 à 1630 os2100 à 4080 Dans les tissus mous, la célérité varie peu : valeur moyenne = 1540 m/seconde. Paramètre 1 :

8 L impédance est la résistance dun milieu à la pénétration dune onde US. Elle traduit son aptitude à reprendre se forme originale après déformation. Z = impédance acoustique, compressibilité du milieu, = masse volumique. Elle sexprime en kg/m2/s. z MilieuImpédance Z exprimée en 10 6 kg/m 2 /s, en Rayleigh Air0,0004 Eau à 20°1,48 Sang1,61 Rein et Rate1,62 Foie1,63 à 1,67 Muscle1,67 à 1,76 Os3,65 à 7 L impédance conditionne la célérité de londe US. C = Z /

9 La fréquence est le nombre doscillations par seconde. Paramètre 2 : f = 1 / T Elle sexprime en Hertz. 1 Hz = 1 cycle/s

10 La longueur donde : est le nombre doscillations par seconde. Paramètre 3 : = c / f = c T f = 10 MHz, = 0.15 mm f = 5 MHz, = 0.31 mm f = 2 MHz, = 0.77 mm

11 Lintensité acoustique est la quantité totale dénergie traversant lunité de surface par unité de temps. Paramètre 4 : avec I = intensité, p = pression acoustique, = masse volumique, c = célérité Lintensité acoustique sexprime en watts/cm 2. A titre dexemple, en échographie, lintensité de londe acoustique est approximativement de 100 mwatts/cm2, alors quelle est de lordre de 1 à 3 watts/cm2 en physiothérapie.

12 Intensité de londe sonore Loreille humaine est sensible à des intensités sonores allant de W/m 2 à 1 W/m 2, soit un rapport de 1 à Pour ramener cette large échelle dintensités 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). Où I est lintensité mesurée et I 0 est une valeur de référence. Si lon prend I 0 égal à W/m 2, le seuil daudibilité correspond à 0 dB. 0 log 10 I I

13 Interaction des ondes avec la matière : Atténuation Réfraction / réflexion Diffusion

14 Atténuation En se propageant, londe US cède une partie de son énergie au milieu traversé : il y a absorption de lénergie ultrasonore et lintensité du faisceau diminue. I transmise = I(l) = I o exp (- l) l = distance à la source, I 0 = intensité initiale, = coefficient linéaire datténuation dépendant de la fréquence Lintensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres quen profondeur.

15 Si lon compare 2 intensités I initiale et I transmise, on définit latténuation A = 10 log (I transmise / I initiale ) A sexprime en décibels (db) = A / l en db / cm et = 10 / 2.3 Le coefficient datténuation varie selon le tissu Tissus z en dB/cm/MHz Sang0,1 Graisse0,5 Foie1 Muscle1,5 Os10 Poumon20 Le coefficient datténuation définit le pouvoir de pénétration du faisceau ultrasonore. est proportionnel à la fréquence.

16 Quand la fréquence augmente, latténuation croît. En première approximation, on peut considérer que pour les tissus mous, latténuation moyenne est de 1 dB/cm/MHz. En fait, elle varie de 0,3 à 1,5 dB/cm/MHz

17 En pratique Atténuation La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration : 2-3 cm MHz 5-6 cm7,5 MHz 10 cm5 MHz > 15 cm2,5 - 3,5 MHz Profondeur d'exploration maximale Fréquence des ultrasons

18 Réfraction / réflexion Angle à 90 0 Onde incidente Onde transmise Onde réfléchie R = coefficient de réflexion, I i = intensité incidente, I r = intensité réfléchie, Z 1 = impédance du milieu 1, Z 2 = impédance du milieu ZZ ZZ I I R i r ZZ T I i I t 2 1 ZZ

19 Réfraction / réflexion Angle autre que 90° R = [(Z 2 cos i – Z 1 cos t )/( Z 2 cos i + Z 1 cos t )] 2 T = 4 Z 2 Z 1 cos i cos t /( Z 2 cos i + 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).

20 Réflexion: graisse/peau Z graisse = 1.38Z peau = ,0064, ZZ T I i I t 2 1 ZZ ZZ ZZ I I R i r

21 Réflexion: air/peau Z air = 0,0004Z peau = 1, Dans cet exemple, les ultrasons se réfléchissent à 99,9%! Lamplitude transmise est quasi NULLE! Impossible alors de faire pénétrer les ultrasons à lintérieur du corps humain de cette manière! De là, limportance de mettre la surface émettrice du transducteur en CONTACT avec la peau des patients en utilisant une huile ou une gélatine dont limpédance acoustique est voisine de celle de lépiderme

22 Diffusion : émission dans toutes les directions dune fraction de lénergie par des cibles de petite taille devant le longueur donde. Bords des structures : réflexion aux interfaces Echostructure : diffusion

23 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.

24 Principe de fonctionnement de la sonde Leffet 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).

25 Principe de fonctionnement de la sonde Leffet 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

26 Principe de fonctionnement de la sonde Leffet piézoélectrique 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. émetteur récepteur

27 Le faisceau ultrasonore La zone de Franhofer : conique, elle est plus éloignée de la source. Le faisceau est divergent selon un angle. La divergence est inversement proportionnelle à la fréquence et au diamètre de la sonde. La zone de Fresnel : cylindrique, son étendue dépend du diamètre du cristal, de la fréquence démission et de la célérité l = longueur de la zone, D = diamètre de la source, f = fréquence c f D 4 2 l

28 Stationnaire Source f Stationnaire Source f v ultrason ct = 2d c = 1540 m/s v ultrason Formation de limage : mesure de la distance Ex : pour explorer 20 cm de pdf Temps de recueil des échos : t = 2d/c t = 260 s Cadence de 1/ = 3846/s

29 Formation de limage : exemple du sonar

30 Séméiologie ultrasonore Les liquides Les calcifications Lair Les parenchymes

31 Les liquides anéchogènes +++ renforcement postérieur

32 Les calcifications hyperéchogènes +++ cône dombre postérieur

33 Lair : artefacts aériques abcès avec formation de gaz aérobilie

34 Les parenchymes

35 Le foie

36 Le rein

37 Lutérus Voie sus pubienne Voie endovaginale

38 Les ovaires

39 Le testicule

40 La prostate Voie sus pubienne Voie endorectale

41 La vessie

42 Echographie obstétricale Dg de grossesse Datation de la grossesse Recherche de malformation Position du placenta

43 Echographie trans fontanellaire

44 Echographie mammaire

45 Echographie ostéo articulaire Rupture partielle dun tendon extenseur

46 La thyroide

47 Cavités Valves Doppler Echographie cardiaque Echographie trans oesophagienne

48 Un prélèvement : une carotte. Les biopsies

49 Le Doppler

50 Principe de leffet doppler La vélocimétrie par effet doppler est fondée sur la variation de fréquence que subit un faisceau ultrasonore lorsquil est rétrodiffusé par des cibles en mouvement. f = F réception – F émission

51 La différence de fréquence ( F) est positive si la cible se rapproche de la source. (Fr > Fe) La différence de fréquence ( F) est négative si la cible séloigne de la source. (Fe < Fr) En pratique médicale, F est comprise entre 50 Hz et 20 KHz. Il sagit donc dune fréquence audible.

52 Angle doppler = langle qui existe entre le faisceau ultrasonore et laxe de déplacement de la cible. f = 2 Vf e cos /C V = vitesse de la cible C = célérité des ultrasons (1540 m/s) f e = fréquence démission = angle entre le faisceau ultrasonore et laxe des particules

53 Effet Doppler V f = fréquence de londe émise v = vitesse de la cible c = vitesse de londe sonore dans le milieu = angle entre la ligne de visée et la direction du mouvement. f c 2 fe cos V = Il faut être tangent au grand axe du vaisseau. (cos 90° = 0)

54 La brillance traduit lénergie, Elle augmente avec la densité de GR. Le signal Doppler contient 4 informations : la fréquence Doppler proportionnelle aux vitesses détectées lintensité proportionnelle à la quantité de particules produisant la fréquence doppler la variation dans le temps des informations précédentes. une information spatiale en cas dutilisation dun Doppler couleur Spectre Doppler

55 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 lémission et la réception est grand. Le signal est enregistré et analysé pendant ce quon appelle une « fenêtre découte » dans lintervalle de temps qui sépare les émissions successives. Le délai dapparition traduit la profondeur du vaisseau. La fréquence propre est différente de la fréquence démission, 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 + f Signal doppler f

56 La fréquence de répétition du pulse (PRF = Pulse Repetition Frequency) est linverse de lintervalle de temps séparant deux impulsions ultrasonores. Pour observer un phénomène répétitif fréquentiel, la fréquence de léchantillonnage doit être supérieure ou égale à deux fois la fréquence de ce phénomène. Théorème de SHANNON La PRF détermine le seuil critique des fréquences, cest à dire des vitesses maximales détectables. Lorsque ce théorème nest pas respecté, il se produit un phénomène de repliement spectral appelé « aliasing ». Sous échantillonage par la courbe pleine

57 Spectre artériel Flux triphasique à haute résistance daval : aorte, carotide Pic systolique, reflux proto-diastolique, flux diastolique Fenêtre sombre sous systolique

58 Flux biphasique à basse résistance daval : 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 Spectre artériel

59 Spectre veineux Flux continu modulé par la respiration (ex branche portale)

60 Les + : Quantification vitesse, IR Couplage à dautres technique (écho, dopler couleur..) Les - : Profondeur limitée P = C/2PRF Aliasing Vitesse maximale détectée limitée Le Doppler pulsé

61 Le Doppler couleur Généralisation du doppler pulsé, multiple fenêtres découte, code couleur du sens du flux

62 En doppler couleur, les turbulences paraissent codées en vert ou en jaune.

63 Le Doppler couleur Les + : Repérage anatomique Localisation et sens du flux Recherche de turbulence Les - : Absences de données quantitatives Aliasing

64 Le Doppler énergie Intégration de lamplitude totale du signal, sans analyse spécifique des fréquences, signal résultant intense.

65 Le Doppler énergie Les + : Repérage anatomique Détection des petits vaisseaux Pas daliasing Les - : Absence de données quantitatives Absence dindication sur le sens du flux

66 Les limites de léchographie

67 Les traitements écho guidés

68 Bursite sous-acromio-deltoïdienne et tendinose du supra- épineux, sans rupture transfixiante. Infiltration de corticoides

69 Le traitement par radiofréquence guidé par US

70 Générateur RF un courant sinusoïdal (F= 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.

71 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).

72 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.

73 Les Ultra sons en Thérapeutique : le cancer de la prostate 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 ( degrés) détruisant ainsi le tissu situé dans la zone ciblée. L ablatherm

74 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.


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