APPLICATIONS de l’EFFET DOPPLER à l’IMAGERIE ULTRASONORE Dr Eric OUHAYOUN Service de Médecine Nucléaire CHU Purpan

Effet doppler Variation de la fréquence d'une onde lors d'un mouvement relatif entre l'émetteur et le récepteur Récepteur immobile - émetteur mobile : cas du train ou de la voiture de police (son). Cas des galaxies (décalage spectral, lumière). Cas également des hématies réfléchissant une onde US (réémetteur) Variation de fréquence proportionnelle à la vitesse de déplacement et au sens de déplacement Mesure du décalage de fréquence : mesure de vitesse

Effet doppler Fréquence émise 5Mhz Fréquence reçue 5,006490 MHz Fréquence doppler : 6,490 kHz

Equation doppler DF = Fr - Fe = Fd Fd = 2 (v/c) Fe cos 

Equation doppler Dans le cas du sang : v = vitesse des globules rouges  = angle d'incidence du faisceau c = célérité des US dans le sang On ne peut mesurer v que si l'on connaît l'angle de tir  , ce qui est difficile, voire impossible : on a alors accès à des variations relatives de vitesse. Si  = 90° alors cos  = 0 : pas de signal doppler

Erreur de mesure

Signal doppler Est en général dans le domaine de l'audible pour les fréquences utilisées en médecine (2 - 10 MHz). Les critères de pénétration des US / fréquence sont toujours d'actualité. Ici apparaît un paramètre "résolution" qui n'est plus la qualité d'image mais les vitesses mesurables. La quantité d'énergie diffusée sur les globules rouges croit également avec la fréquence.

Types de Doppler CONTINU : un cristal émet en permanence une onde US, au autre reçoit cette onde après réflexion sur les hématies. PULSE : un cristal unique émet pendant un bref laps de temps et reçoit ensuite également pendant un bref laps de temps. Le mode pulsé permet l'association à l'imagerie en mode B bidimensionnel

Principe du doppler continu

Doppler continu Un circuit analyse Fd fait la soustraction Fr - Fe et le répercute dans un haut parleur. (analyse auditive des caractéristiques du flux). Une visualisation graphique est également possible : importance de Fd et sens de l'écoulement. Par convention, un signal se rapprochant de la sonde est positif. Problème de l'ambiguité en distance + + +

Doppler pulsé Permet une analyse dans une zone donnée dont la position dépend du délai entre émission et réception. Peut se coupler au mode B Compromis à trouver entre la PRF et la profondeur d'exploration d'une part, et entre la durée de réception et la vitesse maximale à mesurer.

Principe du doppler pulsé

Couplage doppler et imagerie D : ligne de tir VM : volume de mesure

Avantages Emission alternée pour l'image B (analyse permanente du signal) et pour le doppler (analyse pendant la fenêtre de recueil) : système duplex Résolution spatiale : permet de localiser l'enregistrement doppler en profondeur La résolution axiale est déterminée par la longueur de l'impulsion US.

Inconvénients Faible sensibilité aux flux lents Difficulté de quantification des flux rapides Ambiguïté en distance et en vitesse (aliasing) Compromis à trouver entre les fréquences d'émission pour l'image et celles du doppler d'une part, et entre l'angle d'incidence sur les interfaces (minimal pour le doppler et maximal pour l'image)

Analyse du signal doppler ANALOGIQUE : représentation de la fréquence doppler par un compteur de passage à zéro. Représente la moyenne des fréquences doppler échantillonnées. Associée à une traduction phonique L'information sens est conservée, traduite par la position de la courbe par rapport au zéro. Permet de détecter les anomalies de flux mais la caractérisation est difficile

Analyse du signal doppler (2) ANALYSE SPECTRALE décodage des fréquences doppler contenues dans le signal pendant la durée de mesure Quantification en fréquence (donc vitesse) et en énergie reçue (donc nombre d'éléments à cette vitesse) Affichage sous forme de spectre CARACTERISATION DU FLUX Fréquence maximale : vitesse quadratique moyenne Aspect du spectre : type de flux (laminaire ou turbulent)

Principe de l'analyse spectrale

Résultat analyse spectrale

Caractérisation du flux Laminaire turbulent Jet post sténotique

Exemple de tracé doppler mitral

Problèmes liée à l'analyse spectrale Sont en fait liés à la capacité d'analyse spectrale du système par FFT et donc à l'échantillonnage du signal (cf théorème de SHANNON) : Valeur de la PRF (= fréquence d'échantillonnage) Taille du volume d'échantillonnage Position du volume d'échantillonnage Filtrage Génèrent des phénomènes d'aliasing (repliement de spectre)

Phénomène "d'aliasing" continu aliasing pulsé

Repliement de spectre

Doppler couleur Décodage du signal doppler (fréquence, phase et amplitude) pour chaque pixel de l'image et transformation du signal en informations codées en fausses couleurs selon le sens et la vitesse de déplacement des structures. Mise en évidence de la variance du signal doppler dans le pixel d'analyse (variabilité des vitesses due au type de flux) Nécessite de grosses capacités de calcul (FFT rapide et mémoires importantes) pour traiter des images de taille raisonnable en temps réel.

PRINCIPE DU DOPPLER COULEUR

Doppler couleur

Difficultés du codage couleur Grosse capacité de calcul. Nécessité de moyenner l'information obtenue pour chaque pixel lors de plusieurs acquisitions (autocorrélation) pour améliorer le rapport signal sur bruit. La résolution de l'image couleur varie en sens inverse de sa taille. La qualité de l'image dépend du nombre de tirs.

Doppler couleur : carotide + jugulaire ?

Bifurcation carotide

Jugulaire et carotide

Aorte

Doppler couleur : flux remplissage VG

Doppler couleur : flux éjection VG

Flux remplissage VG

Doppler couleur : Iao + Rao

Insuffisance tricuspidienne

Doppler couleur : IM

Doppler couleur : IM

Doppler couleur : IM

Insuffisance mitrale

Insuffisance mitrale : quantification

Doppler couleur : IVA

Evaluation des Pressions DP ≈ 4 V2 max

Doppler artère rénale

Evaluation des flux

Doppler du cordon ombilical

Interêt doppler couleur Dissection aortique

Prolapsus Valvulaire Mitral TM B B+ Doppler couleur

Principe du Doppler "énergie"

Doppler Energie : Utérus

Doppler énergie : Rein

Vascularisation placentaire

Vascularisation cérébrale

Vascularisation thyroïdienne

Doppler couleur+Energie : veine porte

Pseudo 3D : vascularisation rénale

Doppler tissulaire énergie : myocarde

Doppler tissulaire myocardique

Doppler couleur + TM

Doppler tissulaire TM

Doppler tissulaire

Codage vitesse par "signature"

Imagerie harmonique : principe la résonance des bulles d'air (2e harmonique) est seule détectée

Imagerie Harmonique

Doppler harmonique vascularisation rénale

Imagerie harmonique sans produit de contraste

Echo de contraste

C’est fini? Eh oui A l’année prochaine

Numérisation - Limites Normal Fréquence d’échantillonnage insuffisante

Aliasing Ce phénomène se traduit sur l'analyse spectrale par un repliement du spectre, les fréquences les plus élevées étant codées en négatif par un repliement de la couleur. Après augmentation de la PRF, le tracé est correct et la couleur homogène.