L ONDE ULTRASONORE PROPRIETES PHYSIQUES SEMIOLOGIE ET ARTEFACTS

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1 L ONDE ULTRASONORE PROPRIETES PHYSIQUES SEMIOLOGIE ET ARTEFACTS GULLO GIUSEPPE AVRIL 2007

2 PROPRIETES PHYSIQUES

3 Les catégories de son Les sons sonts classifiés en quatre catégories, selon leur fréquence: Infrasons 0-20 Hertz Sons audibles 20 Hz-20 khz Ultrasons 20 khz-1 GHz Hypersons >1GHz En médecine les fréquences utilisées se situent entre 2 et 20 MHz

4 Définitions L onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel élastique et déformable pour se propager L onde sonore consiste en une propagation de proche en proche d une déformation qui provoque localement des variations de pression et des oscillations des molécules autour de leur position d équilibre

5 Caractérisation L onde sonore est une onde de pression longitudinale, les molécules vibrant dans la direction de propagation de l énergie Le passage de l onde induit des zones de détente et compression

6 Caractérisation L onde sonore est définie par sa longueur d onde λ et sa fréquence f qui sont liées par la relation λ= c/f c correspond à la vitesse de propagation de l onde dans le milieu, il est constant pour chaque milieu et dépend de son élasticité E (capacité du milieu à retrouver sa forme et taille d origine) et de sa densité ρ (proximité des molécules) c = (E ρ -1 ) 1/2

7 Caractérisation

8 L élasticité L élasticité dépend principalement de la température et de la pression. Ces dernières étant ~ constantes dans le corps humain, cela rend ce paramètre négligeable dans le domaine médical

9 Vitesses de propagation Tissu c (m/s) Eau 1480 Air 340 Sang 1566 Os spongieux Os cortical Graisse 1450 Muscle Peau 1600 Cerveau 1530 Foie 1560 Moyenne tissus mous 1540

10 L impédence acoustique L impédence acoustique Z représente la résistance du milieu à la propagation de l onde Z = ρc = A/Vm Tissu Z (kg m -2 s -1 ) Eau 1.48*10 6 Air 440 Sang 1.66*10 6 Os cortical *10 6 Graisse 1.38*10 6 Muscle *10 6 Cerveau 1.55*10 6 Foie 1.65*10 6 Moyenne tissus mous 1.63*10 6

11 Interface Une interface acoustique est définie comme étant la surface de séparation entre deux milieux de Z différents. L onde entrant en contact avec cette interface subit de nombreux phénomènes qui selon leur importance et leurs combinaisons définiront l image finalement restituée

12 Les phénomènes d interaction Transmission Réflexion Réfraction Diffusion Absorbtion Atténuation Ils obéissent aux mêmes lois que la lumière (lois de Descartes) et sont responsables de nombreux artefacts

13 Phénomènes d interaction

14 Transmission Lorsqu une onde passe d un milieu à un autre, une partie de l énergie incidente est transmise et l autre est réfléchie au niveau de l interface séparant ces deux milieux La transmission est directement liée à l impédence acoustique du milieu traversé I transmi / I incident = 4Z 1 Z 2 / (Z 2 +Z 1 ) 2

15 Réflexion Le faisceau réfléchi repart avec un angle identique à l angle d incidence θ réfléchi = θ incident La réflexion est aussi directement liée à l impédence acoustique du milieu traversé I réfléchi / I incident = (Z 2 -Z 1 ) 2 / (Z 2 +Z 1 ) 2

16 Réflexion Plus la différence d'impédance acoustique entre deux tissus est élevée, plus la réflexion est grande Si la réflexion à lieu sur une surface irrégulère, elle sera omnidirectionnelle et de faible amplitude

17 Réfraction Le faisceau transmi ne conserve sa direction initiale que dans le cas où il est perpendiculaire à l interface. Dans tous les autres cas il est partiellement dévié ce que l on appelle la réfraction La réfraction se produit avec un angle qui est fonction des différentes impédences acoustiques, donc des vitesses On la défini par la loi de SNELL sin θ incident / c incident = sin θ réfraction / c réfraction

18 Réfraction Plus la différence de vitesse de propagation est grande, plus la réfraction est importante V2>V1 V2<V1 Angle Critique

19 Diffusion Correspond à la réémission dans toutes les directions de l espace d une fraction minime de l énergie ultrasonore Elle dépend de la taille des structures internes des organes et de son rapport à la longueur d onde Diffusion directionnelle si Φ > λ Diffusion antérieure et postérieure si Φ = λ Diffusion omnidirectionnelle si Φ << λ ( d 6 f 4 )

20 Diffusion Omnidirectionnelle ou de Rayleigh Φ << λ Antérieure et postérieure Φ = λ Directionnelle Φ > λ

21 Absorbtion Elle est due a la transformation de l énergie mécanique en chaleur par des phénomènes de friction interne (liés à la viscosité) et au temps de relaxation des molécules (durée du retour à leur position initiale entre chaque onde)

22 Atténuation Au cours de sa propagation au sein du tissu l énergie de l onde est atténuée par de multiples mécanismes (réflexion, réfraction, diffusion, absorbtion et divergence du faisceau) Elle est décrite par une décroissance exponentielle I x = I o e -μx Ou par la réduction d intensité en db R = β f x x = épaisseur traversée μ et β = coefficient d atténuation

23 Atténuation I 2 /I 1 db Les ondes de fréquences les plus élevées sont plus facilement absorbées et diffusées que les ondes de fréquences plus basses

24 SEMIOLOGIE

25 Sémiologie Science dont l objet est l étude des signes, en l occurrence échographiques en liaison avec les informations qu ils révélent

26 Sémiologie L image échographique est une image par réflexion Il est important que les interfaces que l on souhaite visualiser soient les plus perpendiculaire possible à la ligne de tir pour que les échos réfléchis soient enregistrés par la sonde

27 Principe de réception de l onde Les sondes sont à la fois émettrices et récéptrices L émission de l onde ne représente que 1% du temps total (~ 1ms), le reste du temps la sonde est en mode réceptrice (émission pulsée) Chaque fois que le faisceau rencontre une interface une fraction en sera réfléchie L'onde ultrasonore réfléchie est détectée par le transducteur, amplifiée et numérisée La profondeur de l écho est calculé selon son temps de vol à la vitesse de 1540 m/s Les niveaux de gris sont rendus en fonction de l intensité de l écho

28 Echogénicité Sur l image les différentes structures du corps humain sont rendues dans une échelle de gris variant du noir au blanc, chaque structure possédant sa propre faculté à produire un écho appelé échogénicité

29 Echos d interface et de structure Deux types d échos composent l image finale : Les échos aux interfaces régis par des réflexions au niveau des interfaces des structures macroscopiques Les échos de structure régis par une réfléxion diffuse de faible amplitude au niveau tissulaire (diffusion et dispersion de l onde par les microhétérogénités tels que les capillaires, le tissu conjonctif, la graisse, les îlots cellulaires )

30 Anéchogène Dit d une zone noire vide d échos, aussi appelée transsonore Anéchogène

31 Hypo, hyper et isoéchogène L importance des échos au sein du tissu permettra de les décrire comme hypoéchogène, échogène ou hyperéchogène en fonction de nombre d échos réfléchis (peu à beaucoup) Deux structures de même échogénicité seront appelées isoéchogènes

32 Hypo, hyper et isoéchogène Hyperéchogène Hypoéchogène Isoéchogène

33 Interface et paroi Une interface représente une limite sans épaisseur physique séparant deux milieux d impédance acoustique différents Une paroi est une structure anatomique supérieure à 2 mm séparant deux milieux d impédance acoustique différents ou identiques

34 Homogène et hétérogène La répartition de l échogénicité (régulière ou variable) au sein d un tissu permettra de le décrire comme homogène ou hétérogène Homogène Hétérogène

35 Déscription de différents tissus Les liquides purs comme l urine, le sang, la bile, le liquide libre sont visibles en noir Les liquides impurs comme la vieille urine ou l épanchement pleural ont des échos variables Les tissus mous ont des zones d impédance acoustique variables séparées par des parois La graisse est plus échogène que le muscle L hématome frais est hyperéchogène, puis en se liquéfiant il devient hypoéchogène Les structures solides cristallines (calcifications, os) et les gaz possédent des interfaces hyperéchogènes

36 La description de l image Une description précise de l image échographique repose sur trois éléments : La localisation La caractérisation La synthèse (conclusion du radiologue)

37 La localisation Reconnaître la structure anatomique et la visualiser dans l espace Définir l emplacement des anomalies au sein d une structure

38 La caractérisation Topographie Contours (réguliers, irréguliers) Forme (rond, ovale, oblong, spiculé) Dimensions (mesure) Echostructure Échogénicité (anéchogène, hypo, hyper) Homogénicité (homogène, hétérogène) Artéfacts complétant la caractérisation (cône d ombre, renforcement postérieur) Vascularisation Sens du flux (s approche ou s éloigne) Vélocité (f Doppler = 2 v sang fcosθ / c tissus mous ) Index de résistance IR (indépendant de l angle)

39 La synthèse Informations obtenues en temps réel Analyse des structures et anomalies visualisées dans le contexte des indications cliniques

40 Types de lésions Anéchogène Hypoéchogène Isooéchogène Hyperéchogène

41 Types de lésions (suite) Hyperéchogène Complexe Entouré d un halo Complexe

42 Exemple Localisation : partie antéro-supérieure du lobe droit de la thyroïde Caractérisation : structure à contours réguliers, ronde, de 7.4mm, hyperéchogène entourée d un fin liseré hyperéchogène, homogène, sans cône d ombre, vascularisée Temps réel du radiologue et synthèse

43 ARTEFACTS

44 Les artéfacts Ils sont la conséquence de phénomènes physiques qui modifient les images échographiques Ils sont en général liés à des problèmes d absorbtion du faisceau ou à des réflexions inadéquates

45 Les différents types d artéfacts Atténuation Ombre acoustique Renforcement postérieur Révérbération (queue de comète) Miroir Volume partiel Lobe latéral Effet de bord Anisotropie Vitesse du faisceau

46 Atténuation L atténuation du faisceau selon une décroissance exponentielle entraîne un affaiblissement de l intensité de l'onde provenant des zones profondes, elle est représentée à l écran par une zone hypoéchogène Les structures en profondeur sont donc plus difficiles à observer

47 Atténuation Echelle log.

48 Ombre acoustique Produit à chaque fois que le faisceau rencontre une structure avec une impédance acoustique très différente. Toutes les ondes sont réfléchies au niveau de la structure (os, gaz, calculs), ce qui se traduit par un cône d ombre (en noir car il n y a aucune information) postérieurement à la structure réfléchissante Le cône d ombre permet d identifier la présence d un calcul ou d une calcification, mais il peut aussi masquer des organes se situant derrière des gaz ou des structures osseuses comme les côtes

49 Ombre acoustique

50 Renforcement postérieur Produit à chaque fois que le faisceau traverse une structure liquidienne anéchogène Postérieurement à la structure il y a une zone hyperéchogène due à la non-atténuation des échos, les ondes des structures voisines étant elles atténuées Le renforcement postérieur marque la nature liquidienne de la structure, mais il peut aussi induire une mauvaise interprétation de l image située dans son prolongement

51 Renforcement postérieur Atténuation Echelle log.

52 Révérbération (queue de comète) Survient lorsque deux interfaces très échogènes et parallèles sont situées sur le trajet de l onde Certaines ondes se retrouvent prisonnières et font plusieurs aller-retour avant de repartir au détecteur créant ainsi des lignes parallèles et équidistantes placées à des profondeurs excessives sur l image La queue de comète est un cas particulier de réverbération créé par des micro-bulles d air ou des cristaux de choléstérol qui formeront une ligne échogène composée de multiples échos contigus

53 Révérbération (queue de comète)

54 Miroir Survient lorsque le faisceau se réfléchi sur une interface linéaire très échogène L onde incidente se réfléchi avant d atteindre une autre structure, au retour les échos reprennent le même chemin, se réfléchissant à nouveau contre l interface linéaire avant d atteindre la sonde L appareil interprettant toujours l onde en ligne droite, il replacera l écho derrière l interface créant une fausse image symétrique à la vraie par rapport à l interface

55 Miroir

56 Volume partiel Rencontré lorsque l épaisseur du faisceau interresse à la fois une structure liquidienne et les parties molles adjacentes Une fraction des parties molles sera intégrée à la structure liquidienne, introduisant faussement des échos dans cette structure

57 Volume partiel

58 Lobe latéral Lié au retour d énergie ultrasonore vers la sonde en dehors de l axe La sonde émet un faisceau ultrasonore principal et plusieurs lobes secondaires d intensité moindre Seul le faisceau principal est pris en compte pour le retour des échos, ceux générés par les lobes secondaires seront placés alors par erreur dans la direction du faisceau principal générant un artéfact

59 Lobe latéral

60 Effet de bord Lié à la réflexion de l onde sur la paroi d un objet arrondi La réflexion oblique sur les bords entraîne une déviation du faisceau et de ce fait des zones où aucun écho est détecté

61 Effet de bord

62 Anisotropie L échogénicité de certaines structures dépendent de l orientation du faisceau, elles sont alors dites anisotropiques L échogénicité est maximale lorsque le faisceau incident arrive perpendiculairement à la structure et elle diminue lorsque l obliquité augmente C est principalement le cas de structures tendineuses (β perpendiculaire aux fibres 3.3, β parallèle aux fibres 1.2)

63 Anisotropie Faisceau à 90 Faisceau à 60 Faisceau à 30

64 Vitesse du faisceau La vitesse de propagation du faisceau varie selon les milieux biologiques, mais pour les calculs du «temps de vol» l appareil prend en compte la vitesse moyenne dans les tissus mous qui est de 1540 m/s Il peut en résulter une localisation spatiale aberrante causée par une trop grande différence entre la vitesse réele et la vitesse calculée

65 Vitesse du faisceau c = 2200 m/s d = 21 mm c = 1540 m/s d = 21 mm c = 1540 m/s d = 30 mm