Formation de l’image échographique

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1 Formation de l’image échographique
15 octobre 2012 Dr A. TEXIER CCA-AH Radiologie, Hôpital Sud, Amiens

2 Plan 1- Introduction. 2-Définition, production des US.
3- Interactions des US avec les tissus. 4- Formation de l’image US. 5- Configuration d’une sonde d’échographie. 6- Types de balayage, types de sonde. 7- Critères de qualité de l’image. 8- Sémiologie élémentaire en échographie. 9- Artéfacts. 10- Limites de l’échographie.

3 1-Introduction L’échographie et le doppler utilisent le phénomène de réflexion des ondes ultrasonores. 1940 : sonar utilisé pour sonder les fonds marins. 1950 : première utilisation en médecine pour l’exploration des calculs biliaires. Depuis, l’échographie connait des avancées technologiques majeures en évolution constante. Utilisation en cardiologie, gastro-entérologie, gynécologie, urologie…

4 2-Définition et production des US
Les ultrasons sont des vibrations mécaniques (ou ondes de pression) provoquant des variations de pression dans les milieux traversés. Ils nécessitent un milieu moléculaire pour se propager. Fréquence entre 20 kHz et 200 MHz, au dessus du seuil audible. L’onde US entraine des déformations sinusoïdales de l’espace, nécessitant un support matériel (contrairement aux ondes EM), mais sans transport de matière. L’onde US possède plusieurs caractéristiques dans le domaine spatial et dans le domaine temporel .

5 2-Définition et production des US
Paramètres des ultrasons : Domaine temporel : Une onde ultra sonore est caractérisée par une fréquence (F) et une période (T). Domaine spatial : elle est caractérisée par une longueur d’onde (λ) qui correspond à la distance séparant à un instant donné 2 points où la pression est identique sur le trajet de l’onde. c : vitesse de propagation de l’onde dans un milieu donné : C air : 330 m/s – C eau : 1480 m/s – C os : 2710 m/s λ=c/f

6 2-Définition et production des US

7 2-Définition et production des US
Effet piezo-électrique : Les ultrasons sont produits par piézoélectricité qui est la propriété que possèdent certains matériaux de pouvoir transformer l’énergie électrique en énergie mécanique et inversement. On observe l’apparition de charges électriques à la surface de ces matériaux lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques et inversement, ces matériaux se déforment lorsqu’ils sont soumis à une différence de potentiel. Matériau : céramiques, ou association céramiques et polymères. Lors du fonctionnement de la sonde, l’énergie acoustique est émise par impulsions, et la réception est continue.

8 2-Définition et production des US
Diagramme de rayonnement : région spatiale dans laquelle l’énergie US est émise. Source ponctuelle : diagramme de rayonnement sphérique dans l’espace. Source étendue : diagramme de rayonnement avec un lobe principal dont la direction est confondue avec l’axe de la source, et des lobes secondaires, dont les directions font un certain angle par rapport à la direction du lobe principal. Les lobes secondaires sont à l’origine d’artéfacts et de fausses images.

9 2-Définition et production des US
Diagramme de rayonnement du faisceau comporte plusieurs régions : proximale, zone d’interférence de Fresnel (A) au contact du transducteur, et région appelée champ lointain de Fraunhoffer (C), dans laquelle les interférences ont disparu.

10 2-Définition et production des US

11 2-Définition et production des US
Source étendue : lobe principal dont la direction est confondue avec l’axe de la source, et des lobes secondaires, dont les directions font un certain angle par rapport à la direction du lobe principal. Les lobes secondaires sont à l’origine de la région de Fresnel.

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13 3-Interactions des US avec les tissus
Il existe une propagation par transmission d’un état de compression ou de raréfaction de proche en proche, sans transport de matière. Cette modification de pression dans le milieu résulte d’un mouvement de va et vient qui anime les particules dans l’axe de déplacement des ultrasons, selon un mode sinusoïdal. Atténuation de l’onde : une onde US qui se propage dans un milieu, voit son énergie diminuer progressivement (atténuation plus rapide si F élevée). Une onde acoustique d’intensité I0 interagissant avec un tissus homogène, voit son énergie transmise, I(x) diminuer au cours de sa propagation selon la loi : I(x) = I(0) exp (-μx), où μ est le coefficient linéaire d’atténuation (dépend de la densité, de la viscosité et de l’élasticité) du tissu.

14 3-Interactions des US avec les tissus

15 3-Interactions des US avec les tissus
Célérité de l’onde en fonction du tissu traversé

16 3-Interactions des US avec les tissus
Z : impédance acoustique : exprime le comportement d’un milieu matériel vis-à-vis des ultrasons. ρ : masse volumique ou densité du milieu Intensité acoustique (I) et différence d’intensité acoustique (D) : L’intensité acoustique correspond à la puissance acoustique par unité de surface. La différence d’intensité acoustique s’exprime en dB : si 2 ondes US ont des intensités absolues A et B, la différence de leurs niveaux d’intensité égale : D = 10 log B/A La différence d’intensité acoustique s’exprime en dB. Z=c.ρ

17 3-Interactions des US avec les tissus
Interaction des US avec la matière : Réflexion Diffusion Absorption de l’onde ultrasonore

18 3-Interactions des US avec les tissus
Réflexion : Elle se produit quand une onde ultrasonore de longueur d’onde λ rencontre une grande interface S, par rapport à la longueur d’onde, séparant 2milieux d’impédances acoustiques différentes Z1 et Z2. Une fraction de l’énergie contenue dans l’onde incidente est réfléchie par l’interface, dans une direction symétrique de la direction incidence par rapport à la normale de l’interface. La différence d’énergie entre l’onde incidente et l’onde réfléchie est transmise sous forme d’une onde réfractée, se propageant selon une direction bien définie. La direction des ondes incidente, réfléchie et transmise obéit aux lois de Snell Descartes, identiques à celles des ondes lumineuses. R : facteur de réflexion =(Z1-Z2)²/(Z1+Z2)² T : facteur de transmission = 1-R

19 3-Interactions des US avec les tissus

20 3-Interactions des US avec les tissus

21 3-Interactions des US avec les tissus
La réflexion est à l’origine de la formation d’image de bords : contours des organes. La diffusion est à l’origine de l’image de la structure interne des organes.

22 3-Interactions des US avec les tissus
Diffusion : Se produit lors de l’interaction d’une onde de longueur d’onde λ et un petit obstacle de dimension <λ : ce petit objet vibre et réémet dans toutes les directions de l’espace une fraction de l’énergie contenue dans l’onde incidente. (micro calcul : pas de cône d’ombre)

23 3-Interactions des US avec les tissus
Diffusion :

24 3-Interactions des US avec les tissus
Absorption : Correspond à la dégradation de l’énergie mécanique contenue dans l’onde ultrasonore en énergie thermique, qui est alors dissipée dans le milieu. L’absorption est liée d’une part à la viscosité des tissus, et d’autre part à des réactions chimiques d’équilibre présentes dans l’organisme. Conséquence : élévation de la température du milieu, proportionnelle au coefficient d’absorption du milieu et à l’intensité ultrasonore incidente.

25 4-Formation de l’image US
V moyenne des US dans le corps : 1430 m/s Le temps de retour des US correspond à une profondeur. Conditions pour enregistrer des échos : Le milieu de propagation doit comporter un nb suffisant de ΔZ. Le faisceau US doit atteindre l’interface recherchée : fenêtre. L’énergie du signal réfléchi doit être suffisante pour retourner à la sonde. La réflexion doit se faire en direction de la sonde : il faut aborder l’interface le plus orthogonalement possible.

26 4-Formation de l’image US
Effet piezo électrique : Les sondes US sont émettrices et réceptrices. Retour des échos fait vibrer la céramique : formation d’un signal électrique dont l’intensité est proportionnelle à celle de l’écho : formation de l’image en niveaux de gris. Amplification globale Amplification en profondeur Numérisation et traitement de l’information

27 4-Formation de l’image US

28 4-Formation de l’image US
Effet piezo électrique Amplification globale : Il s’agit du gain : amplification globale des signaux électriques. Amplification en profondeur : Se base sur le fait que l’atténuation varie en fonction de la profondeur et des tissus rencontrés : variation de l’amplification en fonction de la profondeur. Numérisation et traitement de l’information

29 4-Formation de l’image US

30 4-Formation de l’image US

31 5-Configuration d’une sonde US

32 5-Configuration d’une sonde US
Conception des sondes : céramique (dont la fréquence de résonnance est caractéristique) amortisseur : amortit la vibration de la céramique et absorbe les vibrations émises en arrière (main sur une cloche). couche protectrice (isolant non conducteur). Bande passante : ensemble des fréquences du faisceau situées de part et d’autre de la fréquence de résonnance. Sondes large bande : possibilité de changer de fréquence sans changer de sonde, en ciblant une bande passante : sondes constituées de cristaux à fréquences de résonnance différentes.

33 6-Types de balayages, de sondes

34 6-Types de balayages, de sondes

35 6-Types de balayages, de sondes

36 6-Types de balayages, de sondes

37 6-Types de balayages, de sondes
Mode A : «  amplitude » Est représentée par une succession de pics représentant les différents échos en profondeur. L’amplitude des pics est proportionnelle à l’intensité des échos : utilisé pour régler les appareils. Mode TM : « temps mouvement » Les infos obtenues le long de l’axe d’émission sont étudiées en fonction du temps : les structures immobiles vont former des droites, les structures mobiles des courbes : utilisation en cardiologie (étude des valves, de la cinétique du VG)

38 6-Types de balayages, de sondes
Mode B : « brillance » Chaque pic du tracé A est remplacé par un point + ou – brillant Mode TR : « temps réel » Acquisition de données morphologiques et dynamiques. Réalise un balayage automatiquement et cyclique de la zone explorée selon un plan défini. Modes 3D et 4D

39 7- Critères de qualité de l’image
Résolution spatiale : Correspond à la faculté qu’a un système à distinguer deux cibles rapprochées. RS sur l’axe de propagation : résolution axiale, est liée à la fréquence utilisée : elle augmente quand la fréquence augmente (mais au détriment de la pénétration du faisceau US). RS latérale : augmente quand la taille des céramiques diminue (largeur du faisceau). Elle diminue avec la profondeur.

40 7- Critères de qualité de l’image

41 7- Critères de qualité de l’image
Résolution temporelle : dépend de la vitesse de balayage de l’onde US : elle peut atteindre 45 images par secondes en mode 2D et 25 ips en mode 3D Résolution en contraste : Définit la capacité d’un système échographique à différencier de faibles écarts d’échogénéité. Elle est en partie liée à la qualité de l’amplification et de l’amortissement.

42 7- Critères de qualité de l’image
Plus la fréquence est élevée plus l’image sera fine plus l’absorption sera élevée +++ Sonde haute fréquence : superficiel 5 à 15 MHz Sonde basse fréquence : profond à 5 MHz

43 8-Sémiologie échographique
Echogénéité : Elle s’exprime par rapport au parenchyme voisin. Elle permet d’apprécier les « réactions » des tissus vis-à-vis des ultrasons. Une structure hyperéchogène apparait blanche ou brillante Une structure anéchogène apparait « noire » : liquides Une structure échogène apparait plus ou moins « grise » L’os et l’air ne transmettent pas les ondes en arrière : on parle de miroirs acoustiques.

44 8-Sémiologie échographique
Tissu adipeux : L’échostructure dépend du nombre d’interfaces que l’on y trouve : Huile pure : anéchogène Sein : hypoéchogène Graisse RP : hyperéchogène Angiomyolipome : hyperéchogène Parenchymes : Ensemble de points. Un parenchyme est  globalement homogène. L’échographie ne quantifie pas le niveau d’échogénéité , elle se contente de comparer les niveaux de brillance. Ex : foie > rate sinus du rein > cortex > pyramide

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46 Rein droit Tumeur

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48 8-Sémiologie échographique
Liquides : Anéchogène, quelque soit le gain Renforcement postérieur : lié au fait que la structure liquidienne est moins atténuante que la structure voisine : les échos émis en arrière sont amplifiés. Air : La réflexion est quasi-totale, donc pas de transmission Ombre acoustique postérieure parfois Queue de comète

49 8-Sémiologie échographique

50 8-Sémiologie échographique

51 8-Sémiologie échographique
Structure osseuse ou calcifiée : La réflexion est importante : arc hyperéchogène antérieur avec ombre acoustique postérieure (structure plus atténuante que ses voisines, donc pas d’échos transmis en arrière) Structure canalaire : Paroi plus ou moins épaisse, parallèle avec contenu liquidien (ex: vaisseaux…)

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53 Image de canal : bords parallèles, contenu liquidien anéchogène : veine sus hépatique

54 Vaisseaux : contenu liquidien, anéchogène

55 9-Artéfacts 1- effet de volume partiel
2- échos de répétition et de réverbération 3- image en miroir 4- cône d’ombre latéral 5- les faisceaux latéraux 6- artéfact de double image

56 9-Artéfacts EFFET DE VOLUME PARTIEL

57 9-Artéfacts ECHOS DE REPETITION –QUEUE DE COMETE

58 9-Artéfacts IMAGE EN MIROIR

59 9-Artéfacts

60 9-Artéfacts

61 9-Artéfacts ARTEFACT DES LOBES SECONDAIRES

62 10-Limites de l’échographie
1-limites physiques -profondeur -tissus : air ,os , pansements, gaz… 2-limites de coopération du patient 3 –limites biologiques -effets thermiques -effets non thermiques

63 Exemple liquide cloison liquide
Kyste à contenu liquidien (anéchogène), avec cloisons, et renforcement postérieur (en rouge)

64 Coupe longitudinale du rein droit
Foie Cortex Sinus

65 Coupe transversale du rein droit
Foie Ves. Bil. Hile VCI Bassinet

66 foie Loge rénale Cônes d’ombres au sein de la loge rénale : on ne reconnait pas La structure du rein : présence de bulles d’air : réflexion quasi totale

67 Scanner correspondant : air hypodense (en bleu) au sein du parenchyme rénal :
PN emphysémateuse

68 calcul Cône d’ombre

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