BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE L’ÉCHOGRAPHIE

1- LES ONDES ULTRASONORES

LES ONDES SONORES Représentation idéale de la propagation du son dans l’air Les US créent une vibration longitudinale des particules dans les tissus, sauf dans l’os (et dans les matériaux solides) où se forme une vibration transversale : force de cisaillement

LES ONDES SONORES Représentation des ondes : transversale ou longitudinale mouvement des particules déplacement de l’onde onde long. onde transv.

LES ONDES SONORES Caractérisation de l’onde : la longueur d’onde (λ) : en mètres la fréquence (F) : nombre de longueurs d’ondes (ou de cycles) par seconde : en Hz la période (T) : temps de cycle: en sec la célérité (C) : vitesse de propagation dans le milieu: en m/sec

LES ONDES SONORES La fréquence (F) : C’est le nombre de cycles par secondes (Hz) 4 catégories de sons : Infrasons : 0 - 20 Hz Sons audibles : 20 Hz - 20 kHz Ultrasons : 20 kHz - 1 GHz Hyper-sons : > 1 GHz En échographie, la gamme de fréquence d’émission utilisée varie de 1 MHz à 20 MHz (parfois plus)

LES ONDES SONORES La longueur d’onde (λ) : c’est la distance entre deux bandes de compression ou de raréfaction c’est la distance, au sein d’une onde, qui inclue la totalité d’un cycle positif et d’un cycle négatif BUSHONG FIG 4-6

LES ONDES ULTRA-SONORES La longueur d’onde (λ) : dans un milieu donné, la longueur d’onde  varie avec la fréquence: dans les tissus mous (C = 1540 m/sec) : F = 0,77 MHz  = 2 mm F = 2 MHz  = 0,77 mm à fréquence constante, la longueur d’onde  varie avec la nature du milieu  = C / F (en mètres)

LES ONDES ULTRA-SONORES Vitesse de propagation ou célérité (C) : dans un milieu donné, C est constante, avec la relation suivante : C = F x  Corps humain: vitesse moyenne dans les tissus mous : 1540m/sec

LES ONDES ULTRA-SONORES Notion d’impédance acoustique (Z) : caractéristique acoustique du milieu air Z = 0,0004 10-6 kg/m2/sec eau Z = 1,48 10-6 kg/m2/sec tissus mous Z = 1,63 10-6 kg/m2/sec os Z = 3,65 -7,09 10–6 kg/m2/sec elle conditionne la vitesse de propagation de l’onde US : densité ou masse volumique (kg/m3) : compressibilité Z = / (kg/m2/sec) C = Z / (m/sec)

LES ONDES ULTRA-SONORES L’amplitude (A) de l’onde US : différence entre la position d’équilibre et la maximum représente le degré de déplacement des particules dans une direction seulement

LES ONDES ULTRA-SONORES Puissance et intensité ultrasonore : la puissance acoustique d’un système contrôle le niveau d’énergie déposée dans le milieu : en mW/min on préfère utiliser la notion d’intensité ultrasonore qui dépend de la surface de section du faisceau : I = Puissance / surface de section ; en mW/cm2

LES ONDES ULTRA-SONORES L’amplitude (A) de l’onde ultrasonore : l’unité utilisée dépend de la variable acoustique considérée : déplacement des particules : m ou µm pression sur les particules : N / m2 vitesse de déplacement des particules : m/sec L’intensité (I) de l’onde ultrasonore : elle est proportionnelle à l’amplitude : I A2

LES ONDES ULTRA-SONORES Les décibels (dB) : c’est un dixième de bel (du physicien AG Bell) c’est l’unité utilisée pour comparer les intensités relatives de 2 faisceaux ultrasonores et exprimée en logarithme de base 10 comme l’intensité est proportionnelle à l’amplitude au carré I : intensité du faisceau en un point Io : intensité initiale du faisceau dB = 10 Log (I / Io) dB = 20 Log (A / Ao)

LES ONDES ULTRA-SONORES Les décibels (dB) : valeur d’intensité relative permettant de comparer, par ex., les intensité émises et réfléchies: Exemple : L‘intensité relative est : 10Log(I/Io) = 10Log(0,001/10) = 10Log10-4 = 10(-4) = - 40dB BUSHONG Fig 5-4

2- LES PULSES ULTRASONORES

PULSE ULTRASONORE Caractéristiques du pulse ultrasonore : en échographie, on fonctionne en mode pulsé avec une intermittence entre émission et réception fréquence amplitude durée phase

3- INTERACTIONS DES US AVEC LA MATIÈRE

INTERACTIONS US-MATIÈRE L’échographie utilise le principe de la réflexion : l’image échographique est reconstruite à partir d’échos réfléchis par les interfaces tissulaires du corps Mais elle est limitée par l’atténuation du faisceau : l’intensité du faisceau est progressivement réduite au fur et à mesure de sa pénétration dans les tissus

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion La réflexion du faisceau US : c’est le phénomène principal à l’origine des images échographiques la partie réfléchie R du faisceau constitue l’écho la partie transmise T sera à l’origine de nouvelles réflexions plus profondes la proportion R/T dépend de : la nature du réflecteur l’angle d’incidence la différence d’impédance Z

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Les différences d’impédance acoustique (Z) : air Z = 0,0004 10-6 kg/m2/sec eau Z = 1,48 10-6 kg/m2/sec tissus mous Z = 1,63 10-6 kg/m2/sec os Z = 3,65 -7,09 10–6 kg/m2/sec Le % de réflexion à une interface peut-être calculée par : Z = C .  (kg/m2/sec)(10-6) = Rayls %R = (Z2-Z1/Z2+Z1) 2 X 100

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Émission Réception

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » : interfaces larges et lisses séparant deux milieux d’impédance acoustique différente : par exemple la paroi antérieure de la vessie la réflexion à la sonde dépend ici de l’angle d’incidence i (i = r = t) pour obtenir un écho à la sonde, il faut que i soit < 5°

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Réflexion sur des réflecteurs dits « spéculaires » :

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion Réflexion sur des réflecteurs dits « non-spéculaires » : soit des interfaces plus petites que la longueur d’onde soit des interfaces rugueuses et très irrégulières s’accompagne d’un phénomène de diffusion pluri-directionnelle (cf) la réflexion à la sonde ne dépend pas de l’angle d’incidence et est appelé « rétro-diffusion » (back-scattering) BURNS FIG 5

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Réflexion L’effet de rétro-diffusion dans les tissus : se renforce grâce au phénomène « d’interférences positives » ce phénomène donne naissance au « speckle » d’une image il caractérise « l’ échogénicité » et « l’écho-texture » de chaque tissu

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation L’atténuation du faisceau US : définie comme la réduction d’intensité d’un faisceau US au cours de sa progression dans le milieu elle dépend du milieu traversé et de la F du faisceau elle est exprimée en décibels (dB) Le coefficient d’atténuation () : il exprime le degré d’atténuation par différents tissus d’un faisceau US (caractérisé par sa F), en fonction de l’épaisseur traversée elle est exprimée en dB/cm/MHz

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation Correction de l’atténuation : courbe de gain

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation L’atténuation du faisceau US dépend de 6 types d’interactions : l’absorption interaction directe milieu / faisceau la réfraction la diffraction la diffusion interactions interfaces sur le faisceau les interférences la réflexion

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation L’absorption de l’énergie par le milieu : elle obéit à une loi exponentielle : elle imposera, en retour, une correction logarithmique du gain pour compenser cette perte d’intensité I = Ioe -µX µ : coefficient d’absorption X: distance à la source

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation La réfraction du faisceau US : Loi de Snell: sin 1 = C1 sin 2 C2 BUSHONG FIG 6-4 1: angle incident 2: angle transmis C1: célérité dans le milieu 1 C2: célérité dans le milieu 2

INTERACTIONS US-MATIÈRE : Atténuation La diffraction du faisceau US : c’est la dispersion progressive du faisceau avec sa progression dans les tissus : son augmentation augmente l’atténuation elle augmente avec la diminution de la taille de la source BUSHONG FIG 6-7

4- LE FAISCEAU ULTRASONORE

FAISCEAU ULTRASONORE Forme du faisceau: phénomène de divergence le plan du front d’ondes présente deux régions distinctes: le champ proximal à front plat : la zone de Fresnel le champs distal à front convexe : la zone de Fraunhofer la qualité d’image optimale se situe dans la zone de transition : c’est la distance focale, caractéristique de chaque sonde

FAISCEAU ULTRASONORE Lobes accessoires : dans les sondes multi-éléments générés par les éléments les plus latéraux intensité faible (1% ou –20db / centre)

FAISCEAU ULTRASONORE Forme du faisceau: il dépend aussi du type de sonde : sondes mono-élément : fixe (crayon) : balayage manuel mobiles : balayage mécanique temps réel sondes multi-éléments : annulaires : anneaux concentriques barrettes de cristaux : linéaires ou courbes

FAISCEAU ULTRASONORE Varie selon le type de sonde : cristal plat unique cristal annulaire cristaux multiples

5- LA FOCALISATION DU FAISCEAU ULTRASONORE

EFFET DE LA FOCALISATION Objectif : amélioration de la résolution spatiale résolution latérale résolution en épaisseur résolution spatiale latérale et en épaisseur sont maximales en zone de focalisation +++

FOCALISATION DU FAISCEAU Sondes mécaniques : la focalisation mécanique est bi-D lentille acoustique convexe à faible célérité céramique à face concave dans 1 ou les 2 directions

FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation mixte des barrettes électroniques BUSHONG FIG 11-22 focalisation mécanique et fixe dans l’épaisseur de coupe focalisation électronique et réglable dans le plan de coupe

FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation dans l’épaisseur de coupe des sondes barrettes : elle est mécanique et fixe

FOCALISATION DU FAISCEAU Focalisation dans le plan de coupe des sondes barrettes : elle est électronique et réglable en profondeur BUSHONG FIG 11-21

FOCALISATION DU FAISCEAU Diminution de l’épaisseur du faisceau US : sonde matricielle 1,5D

FOCALISATION DU FAISCEAU Diminution de l’épaisseur du faisceau US : lentille « Hanafy »

FACTEURS DE RESOLUTION SPATIALE Résolution en épaisseur s’améliore avec : la focalisation en épaisseur la diminution de la taille du transducteur Résolution latérale s’améliore avec : la focalisation latérale l’augmentation de la fréquence (moins de divergence) Résolution axiale s’améliore avec : la diminution de la longueur du pulse : l’augmentation de la fréquence un amortisseur de sonde dont Z est proche de Z élément

Dépend de la longueur spatiale du pulse (SPL) RESOLUTION AXIALE Dépend de la longueur spatiale du pulse (SPL) AR = ½ SPL =  / 2 . nombre de cycles résolution axiale en mm

RESOLUTION AXIALE La longueur du pulse dépend de : la fréquence de la sonde l’amortisseur de la sonde

3- LES SONDES ULTRSONORES

SONDES ULTRASONORES Phénomène de piézo-électricité : les cristaux piézo-électriques contiennent des dipôles BUSHONG FIG 7-2 Repos: orientation aléatoire Courant : orientation et dilatation Polarité inverse: orientation inverse et contraction

SONDES US : Piézo-électricité compression du cristal => ddp courant positif => dilatation du cristal BUSHONG FIG 7-3 courant alternatif => vibrations sinusoïdales => US

SONDES ULTRASONORES Constitution : l’adaptateur Z peau < Z adapt. < Z céramique la lentille acoustique l’élément piézo-électrique : céramique, cristaux l’amortisseur

SONDES US : Barrettes électroniques droites

SONDES US : Barrettes électroniques courbes

SONDES US : Endo-rectales

SONDES US : Intra-vasculaires

6- TRAITEMENT DU SIGNAL ET FORMATION DE L’IMAGE

REPRÉSENTATION DU SIGNAL Mode A : échos sur une ligne imagerie uni-Di et fixe Mode TM : balayage temporel imagerie uni-Di et dynamique Mode B : balayage spatial imagerie bi-Di et dynamique

REPRÉSENTATION DU SIGNAL Émission Réception

BALAYAGE DU PLAN : sondes mécaniques transducteur unique oscillant transducteur unique fixe avec miroir acoustique oscillant

BALAYAGE DU PLAN : sondes mécaniques

BALAYAGE DU PLAN : sondes annulaires plusieurs cristaux annulaires concentriques focalisation dans les 3 dimensions

BALAYAGE DU PLAN : Barrettes électroniques droites - le faisceau est formé par une petit nombre d’éléments il demeure perpendiculaire à la barrette le balayage est électronique, non angulé

BALAYAGE DU PLAN : Barrettes électroniques courbes

BALAYAGE DU PLAN : sondes « phased-array » - le faisceau est formé par l’ensemble ou une partie des éléments le balayage est électronique, angulé / à la barrette

FORMATION D’IMAGE

FORMATION D’IMAGE Le récepteur : dans la sonde, les éléments qui reçoivent l’écho sont les mêmes que ceux qui ont transmis le pulse l’amplitude des échos est beaucoup plus faible que celle des pulses émis : 1 V à 1 µV ses fonctions sont : la compression l’amplification la démodulation ou rectification l’enveloppage ou lissage

LE RÉCEPTEUR Fonction de compression : la gamme dynamique du récepteur est de l’ordre de 120 dB, ie sa sensibilité lui permet de détecter des variations d’amplitude de 1 à 1 000 000 cependant, le convertisseur et, surtout, l’écran sont beaucoup moins sensibles, ie limités à une gamme dynamique beaucoup plus étroite (30dB) une compression logarithmique est donc nécessaire, en privilégiant les échos faibles 100-120 dB => 30 dB BURNS FIG 6

FORMATION D’IMAGE Le convertisseur numérique-analogique : restitue les valeurs binaires en signal vidéo fait de niveaux de gris ici aussi, certains post-traitements sont proposés pour moduler le contraste sur l’image: zoom « à l’acquisition », renforcement de contour, lissage...

LE RÉCEPTEUR L’amplification : on l’appelle aussi le « gain » (gain à la réception) elle doit compenser le phénomène d’atténuation avec la profondeur : time-gain compensation (TGC) ou depth-gain compensation (DGC) JOUVE FIG 1-22 Objectif : avoir une image d’intensité homogène en profondeur

LE RÉCEPTEUR Exemples d’application de courbes TGC correcte incorrectes

FORMATION D’IMAGE Le convertisseur analogique-numérique : transforme les valeurs d’amplitude de chaque pulse reçu en valeurs binaires chaque écho est stocké et mémorisé dans une matrice 512x512 : tampon temporel nécessaire entre la cadence de retour des échos et la dynamique d’affichage elle stocke les coordonnées spatiales de chaque écho en x,y l’adressage dépend de : la ligne US recevant l’écho (x) le temps de retour de l’écho (y)

FORMATION D’IMAGE Le convertisseur analogique-numérique : le valeur d’amplitude de chaque écho convertie en valeurs binaires est également stockée dans la matrice selon l’axe z dont la profondeur dépend du nombre de bits: 6 bits = 64 niveaux de gris 8 bits = 256 niveaux de gris JOUVE FIG 1-24

RÉSOLUTION EN CONTRASTE Elle se définit par : l’aptitude à détecter de faibles différences d’amplitude Elle est liée : à la dynamique ou différence entre amplitudes minimale et maximale Elle dépend de : la sonde (amortisseur) de la profondeur de la matrice z (bits) des pré- et post-traitements

RÉSOLUTION TEMPORELLE OU DYNAMIQUE Elle correspond à la vitesse de balayage du plan Elle détermine la cadence image Elle est exprimée en Hz Elle dépend de : la largeur du champ la profondeur d’exploration (qui détermine la PRF) le nombre de lignes US