Echographie et Ultra sons

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1 Echographie et Ultra sons

2 Ondes ultra sonores Paramètres de l’onde US Interactions avec la matière Faisceau US Formation de l’image Séméiologie US Doppler

3 L’onde 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 l’onde sonore
Fréquence = f = 1/T l Longueur d’onde haute pression faible pression Les particules du milieu étudié sont animées d’un mvt de va et vient ds l’axe de déplacement de l’onde ultrasonore : Analogie avec un ressort

5 Nature de l’onde sonore
Molécules compression dépression Onde sonore En observant la forme sinusoïdale de la figure ci-contre, et en se basant sur le modèle de l’onde progressive, on définit une onde sonore de propagation par: temps dépression compression Variation de pression ( ) t x k p w - sin D = T k où p w l 2 et =

6 Domaine de l’onde sonore
L’oreille 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 l’autre extrémité, on retrouve les ultrasons. 20 kHz < f < 20 MHz Ultrasons 20 Hz < f < 20 kHz Sons audibles f < 20 Hz Infrasons

7 La célérité est la vitesse de propagation
Paramètre 1 : La célérité est la vitesse de propagation de la variation de pression dans le milieu. Milieu Célérité (m/s) air 343 graisse 1410 à 1470 foie 1535 à 1580 muscle 1545 à 1630 os 2100 à 4080 Dans les tissus mous, la célérité varie peu : valeur moyenne = 1540 m/seconde.

8 C = Z / r r z = c L’ impédance est la résistance d’un milieu
à la pénétration d’une onde US. Elle traduit son aptitude à reprendre se forme originale après déformation. Z = impédance acoustique, = compressibilité du milieu, r = masse volumique. Elle s’exprime en kg/m2/s. c r = z Milieu Impédance Z exprimée en 106 kg/m2/s, en Rayleigh Air 0,0004 Eau à 20° 1,48 Sang 1,61 Rein et Rate 1,62 Foie 1,63 à 1,67 Muscle 1,67 à 1,76 Os 3,65 à 7 C = Z / r L’ impédance conditionne la célérité de l’onde US.

9 La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde.
Paramètre 2 : La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde. f = 1 / T Elle s’exprime en Hertz. 1 Hz = 1 cycle/s

10 La longueur d’onde : est le nombre d’oscillations par seconde.
Paramètre 3 : La longueur d’onde : est le nombre d’oscillations par seconde. l = c / f = c T f = 10 MHz, l = 0.15 mm f = 5 MHz, l = 0.31 mm f = 2 MHz, l = 0.77 mm

11 avec I = intensité, p = pression acoustique,
Paramètre 4 : L’intensité acoustique est la quantité totale d’énergie traversant l’unité de surface par unité de temps. avec I = intensité, p = pression acoustique, r = masse volumique, c = célérité L’intensité acoustique s’exprime en watts/cm2. A titre d’exemple, en échographie, l’intensité de l’onde acoustique est approximativement de 100 mwatts/cm2, alors qu’elle est de l’ordre de 1 à 3 watts/cm2 en physiothérapie.

12 Intensité de l’onde sonore
L’oreille humaine est sensible à des intensités sonores allant de W/m2 à 1 W/m2, soit un rapport de 1 à Pour ramener cette large échelle d’intensités 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).  ÷ ø ö ç è æ = log 10 I b Où I est l’intensité mesurée et I0 est une valeur de référence. Si l’on prend I0 égal à W/m2, le seuil d’audibilité correspond à b = 0 dB.

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

14 Atténuation Itransmise = I(l) = Ioexp (-ml)
En se propageant, l’onde US cède une partie de son énergie au milieu traversé : il y a absorption de l’énergie ultrasonore et l’intensité du faisceau diminue. l = distance à la source, I0 = intensité initiale , m = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence  L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.

15 Si l’on compare 2 intensités I initiale et I transmise,
on définit l’atténuation A = 10 log (I transmise/ I initiale) A s’exprime en décibels (db) a = A / l en db / cm et a = 10 m / 2.3 Le coefficient d’atténuation varie selon le tissu Tissus a/MHz en dB/cm/MHz Sang 0,1 Graisse 0,5 Foie 1 Muscle 1,5 Os 10 Poumon 20 Le coefficient d’atténuation a définit le pouvoir de pénétration du faisceau ultrasonore. a est proportionnel à la fréquence.

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

17 En pratique Atténuation Profondeur d'exploration maximale
La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration : 2-3 cm MHz 5-6 cm 7,5 MHz 10 cm 5 MHz > 15 cm 2,5 - 3,5 MHz Profondeur d'exploration maximale Fréquence des ultrasons

18 ( ) ( ) ( ) - = R + I Z 4 Z T I + = Réfraction / réflexion 1 2 i r
Onde incidente Onde transmise Onde réfléchie Angle à 90 0 ( ) 1 2 - ( ) Z I R i r + = 2 1 4 Z T I i t ( ) + = R = coefficient de réflexion, Ii = intensité incidente, Ir = intensité réfléchie, Z1 = impédance du milieu 1, Z2 = impédance du milieu 2.

19 Réfraction / réflexion
Angle autre que 90° R = [(Z2cosqi – Z1cosqt)/( Z2cosqi + Z1cosqt)]2 T = 4 Z2 Z1 cosqi cosqt/( Z2cosqi + Z1cosqt)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 (q = 0).

20 ( ) Réflexion: graisse/peau ( ) - = R + I Z 4 Z T I + = 1 2 i r t 1 i
Zgraisse = 1.38 Zpeau = 1.62 1 ,0064 ,994 1 2 - ( ) Z I R i r + = 2 1 4 Z T I i t ( ) + =

21 Réflexion: air/peau Zair= 0,0004 Zpeau= 1,62 1 .999 .001
Dans cet exemple, les ultrasons se réfléchissent à 99,9%! L’amplitude transmise est quasi NULLE! Impossible alors de faire pénétrer les ultrasons à l’intérieur du corps humain de cette manière! De là, l’importance de mettre la surface émettrice du transducteur en CONTACT avec la peau des patients en utilisant une huile ou une gélatine dont l’impédance acoustique est voisine de celle de l’épiderme

22 Diffusion : émission dans toutes les directions d’une fraction de l’énergie
par des cibles de petite taille devant le longueur d’onde. 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
L’effet 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
L’effet 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
L’effet piézoélectrique émetteur récepteur 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.

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

28 Formation de l’image : mesure de la distance
Source f Stationnaire ct = 2d c = 1540 m/s vultrason Stationnaire Source f vultrason Ex : pour explorer 20 cm de pdf Temps de recueil des échos : t = 2d/c t = 260 ms Cadence de 1/ = 3846/s

29 Formation de l’image : exemple du sonar

30 Séméiologie ultrasonore
Les liquides Les calcifications L’air Les parenchymes

31 renforcement postérieur
Les liquides anéchogènes +++ renforcement postérieur

32 cône d’ombre postérieur
Les calcifications hyperéchogènes +++ cône d’ombre postérieur

33 L’air : artefacts aériques
aérobilie abcès avec formation de gaz

34 Les parenchymes

35 Le foie

36 Le rein

37 L’utérus 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 Echographie obstétricale

43 Echographie trans fontanellaire

44 Echographie mammaire

45 Echographie ostéo articulaire
Rupture partielle d’un tendon extenseur

46 La thyroide

47 Echographie cardiaque Echographie trans oesophagienne
Cavités Valves Doppler

48 Les biopsies Un prélèvement : une carotte.

49 Le Doppler

50 Principe de l’effet doppler
La vélocimétrie par effet doppler est fondée sur la variation de fréquence que subit un faisceau ultrasonore lorsqu’il est rétrodiffusé par des cibles en mouvement. Df = F réception – F émission

51 La différence de fréquence (DF) est positive
si la cible se rapproche de la source. (Fr > Fe) La différence de fréquence (DF) est négative si la cible s’éloigne de la source. (Fe < Fr) En pratique médicale, DF est comprise entre 50 Hz et 20 KHz. Il s’agit donc d’une fréquence audible.

52 Angle doppler = l’angle qui existe entre le faisceau ultrasonore
et l’axe de déplacement de la cible. Df = 2 Vfe cos q /C V = vitesse de la cible C = célérité des ultrasons (1540 m/s) fe = fréquence d’émission q = angle entre le faisceau ultrasonore et l’axe des particules

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

54 Spectre Doppler La brillance traduit l’énergie,
Elle augmente avec la densité de GR. Le signal Doppler contient 4 informations : la fréquence Doppler proportionnelle aux vitesses détectées l’intensité proportionnelle à la quantité de particules produisant la fréquence doppler la variation dans le temps des informations précédentes. une information spatiale en cas d’utilisation d’un Doppler couleur

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 l’émission et la réception est grand. Le signal est enregistré et analysé pendant ce qu’on appelle une « fenêtre d’écoute » dans l’intervalle de temps qui sépare les émissions successives. Le délai d’apparition traduit la profondeur du vaisseau. La fréquence propre est différente de la fréquence d’émission, 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 + Df Signal doppler Df

56 Théorème de SHANNON La fréquence de répétition du pulse (PRF = Pulse Repetition Frequency) est l’inverse de l’intervalle de temps séparant deux impulsions ultrasonores. Pour observer un phénomène répétitif fréquentiel, la fréquence de l’échantillonnage doit être supérieure ou égale à deux fois la fréquence de ce phénomène. La PRF détermine le seuil critique des fréquences, c’est à dire des vitesses maximales détectables. Lorsque ce théorème n’est 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 d’aval :
aorte, carotide Pic systolique, reflux proto-diastolique, flux diastolique Fenêtre sombre sous systolique

58 Spectre artériel Flux biphasique à basse résistance d’aval :
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

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

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

61 Le Doppler couleur Généralisation du doppler pulsé,
multiple fenêtres d’écoute, 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 l’amplitude totale du signal,
sans analyse spécifique des fréquences, signal résultant intense.

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

66 Les limites de l’échographie

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 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.

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.