1. Introduction. Plan les Ondes Acoustiques. Historique. 1. Introduction 2. Bases Physiques de l'échographie

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1 Les modalités de l Imagerie Médicale 5. L Echographie Dr CHU de Bobigny Plan 1. Introduction. Bases Physiques de l'échographie Ondes ultrasonores Interactions avec la matière 3. L'échographie D Les sondes Formation de l'image Applications 4. L'échographie 3D: motivations Les dispositifs d'acquisition le traitement des images applications 1. Introduction L'échographie doit son succès à 3 facteurs: Innocuité de l'examen : aucun effet secondaire Faible coût de l'appareillage Souplesse d'utilisation. Principales applications: Obstétrique Cardiologie. 3 1

2 1. Introduction Historique SPALLANZANI le premier en 1794 soupçonna l'existence des ultrasons en observant le vol des chauves-souris. En 1880 CURIE découvre le principe de la pièzo-électricité et le moyen de produire des ondes ultrasonores. Il faut attendre la première guerre mondiale avec LANGEVIN pour que l'homme les utilise à la détection des sous-marins en plongée. La première application médicale est due à DUSSIK en 194 pour la recherche d'une déviation des structures médianes intracrânienne 4 Plan 1. Introduction. Bases Physiques de l'échographie Ondes ultrasonores Interactions avec la matière 3. L'échographie D 4. L'échographie 3D: 5.1. les Ondes Acoustiques Les Sons Infra Sons F < 0 Hz (F= fréquence) Sons Audibles 0 Hz < F < 0 khz Ultrasons 0 khz < F < 1 GHz Hypersons F > 1 GHz 6

3 .1. les Ondes Acoustiques Propagation dans un milieu matériel c = célérité = vitesse de propagation ω = πf = pulsation λ = c/f = longueur d onde k = π/f = vecteur d onde Onde longitudinale : mouvement des particules le long de la direction de propagation a( x, t) = a sin( ωt kx) Mouvement 0 Vitesse u( x, t) = a ω cos( ωt kx) 0 Accélération γ ( x, t) = ω a( x, t) Pression acoustique p( x, t) = p sin( ωt kx) les Ondes Acoustiques Equations de Propagation La célérité c dépend des propriétés mécaniques du milieu de propagation E c = E ρ : module d' élasticité propagation : densité a 1 a = x c t idem avec u et p p( x, t) = ρ. c. u( x, t) 8.1. les Ondes Acoustiques Energie d une Onde Ultrasonore, Puissance Surfacique Une onde US qui se propage transporte de l énergie. L énergie contenue dans l onde se propage à la vitesse c 1 =. u 0 (densité volumique d énergie) Intensité acoustique = puissance surfacique = quantité d énergie par unité de temps par unité de surface. p I = 0 (watt/cm ) ρ. c 9 3

4 .1. les Ondes Acoustiques Impédance Acoustique du milieu Z = ρ. c = ρ. E (kg/m/s) traduit la résistance du milieu à la propagation d'une onde US exemples: (x10-6 kg/m /s) Reins 1.6 Air Foie 1.64 Os 3.65 à 7.09 Eau Interaction des ondes acoustiques avec la Matière Atténuation µ. x I x ) = I e ( 0 µ = coefficient linéaire d atténuation (milieu homogène, cm -1 ) Profondeur / Pouvoir de pénétration α = 10.log α = 10. µ.3 ( 10 I 0 ) I coefficient d' atténuation (db/cm) α petit Ö pénétration élévée α augmente avec la fréquence des US α = k. F. β 1 < β < 11.. Interaction des ondes acoustiques avec la Matière Réflexion des ondes acoustiques Lois de Descartes α R = α I sin α T c = sinαi c 1 Facteur de Réflexion de Transmission R+T=1 (Z cos -Z cos ) R = I 1 T (Z cos + Z cos ) I 1 T 4Z cos.z cos T = I 1 T (Z cos + Z cos ) I 1 T 1 4

5 .. Interaction des ondes acoustiques avec la Matière Diffusion sur globules rouges,micro-vaisseaux, amas cellulaires R 6 I Diff = I. f ( β, ρ ρ, c c ) 0 1, 1, 4 λ (Rayleigh) "Speekle" 13.. Interaction des ondes acoustiques avec la Matière Absorption - Elévation de température Energie perdue par le faisceau = énergie absorbée par le milieu de di = = µ. I( x) = ρ. C. T m dv. dt dx T µ. I( x) = dt ρ. C m exemple : a=0.5 db/cm I= watt/cm dt=1 min T= 3 C perte de chaleur répartie par la circulation sanguine PAS D'EFFETS BIOLOGIQUES NUISIBLES Génération d'une onde acoustique Piézo-electricité principe déformation maille cristalline dipôle électrique -champ éléctrique matériaux céramiques kt = 0.3 à 0.5 titanate de Baryum polymères kt faible polyvinydène difluorure cristaux kt = 0.1, fragile Quartz composites kt = 0.5 à 0.7 céramiques-résines 15 5

6 .3. Génération d'une onde acoustique Piézo-electricité Mode d'utilisation Continu Pulsé 16 Plan 1. Introduction. Bases Physiques de l'échographie 3. L'échographie D Les sondes Formation de l'image Applications 4. L'échographie 3D Sonde échographique Sonde mécanique 18 6

7 3.1. Sondes Sonde Sectorielle Sonde échographique Sonde Electronique Sondes échographiques Faisceau ultrasonore Homogène dans la zone de Fraunhofer Et divergent 1 7

8 3.1. Sondes échographiques Faisceau: Focalisation 3.1. Sondes Faisceau: Focalisation électronique Déphasage de l'excitation des éléments piézo-électrique pour créer un front d'onde composite convergent et dans une direction Sondes Fonctionnement en Émission/réception l'onde est partiellement refléchie sur les interfaces quelle traverse. La sonde enregistre cette onde refléchie (écho) L'écart de temps émission/réception (t AR )est proportionel à la profondeur de l'interface d = c. t AR 4 8

9 3.1. Sonde Amplification du signal reçu L'onde reçue a subit une atténuation (réflexion, diffusion) Et doit être amplifiée Rôle de la courbe de gain Formation de l'image l'image est formée ligne de tir par ligne de tir Sur chaque ligne de tir, un écho est caractérisé par son amplitude et son temps de réception Mode A (Amplitude) : diagramme amplitude=f(t) Mode B (Brillance) : l'amplitude est traduite par la brillance d'un point ligne de l'image échographique Formation de l'image remplissage du plan image Interpolation entrer les points de la ligne de tir et la matrice image (bilinéaire) 51x51 Imagerie temps réel FR 50 µs 100 lignes/image = 5 ms 40 images/s Remplissage de la matrice image par interpolation 7 9

10 3.3. Matériels échographie D: applications Obstétrique vaisseaux Abdomen échographie D: applications Applications: voir Cardiologie 30 10

11 3.4. échographie D: applications Applications: mesurer Obstétrique: Diamètre bipariétal, abdominal Cardiologie Mouvements (mode TempsMouvement) Vitesses (echographie+doppler) Vitesses échographie D: Echo+Doppler échographie D Avantages Peu coûteux (30,000-00,000 ) Résolution < mm Miniaturisation (explorations endovasculaires) Vélocimétrie sanguine (et tissulaire) Images harmoniques (tissus et produits de contraste) Limites Profondeur d'exploration limitée par l'atténuation Les objets très réfléchissants (os, air) Plans de coupes, "opérateur-dépendant", en nombre limité Artéfacts (speekle) 33 11

12 3.5. échographie D Limitations de l'échographie D Plans de coupes, "opérateur-dépendant", en nombre limité Reconstruction mentale du volume Localisation des plans de coupe approximative Variabilité et Erreurs de mesure Comparaison de plusieurs examens difficile (suivi d'évolution) 34 Plan 1. Introduction. Bases Physiques de l'échographie 3. L'échographie D 4. L'échographie 3D: Pourquoi Acquisition des Traitement des images Applications Echographie 3D: Pourquoi? Nouvelles possibilités offertes par l'acquisition d'un volume Suppression de la subjectivité, re-utilisation des Mesures précises et surtout reproductibles Visualisation : Analyse volumique Plans de coupe quelconques Vision panoramique Nouvelles applications: Simulation d'examen, télémédecine, chirurgie asssistée, réalité augmentée 36 1

13 Plan les modalités d'imagerie L'échographie D L'échographie 3D: pourquoi Acquisition Sondes tridimensionnelles Systèmes à balayage mécanique Systèmes d'acquisition main libre traitement des images US 3D: Acquisition des Cahier des charges de l'acquisition 3D: Échantillonage fin ( bonne reconstruction) Échantillonage rapide (compensation des mouvements respiratoires, cardiaques, ) Liberté de manipulation de la sonde par l'opérateur Solutions? Sondes tridimensionnelles Systèmes à balayage mécanique Systèmes d'acquisition main libre US 3D: Acquisition des Sondes tridimensionnelles Philips Sonde matricielle= matrice de transducteurs En développement, confidentialité GE_voluson

14 4.. US 3D: Acquisition des Sondes tridimensionnelles:transducteur D (matrice) Sonde DUKE university Angle=64 Profondeur=13cm trames/sec 16 lignes de tir simultanées Temps réel US 3D: Acquisition des Systèmes à balayage mécanique principe Échantillonage 3D par des plans D Reconstruction du volume Mode de balayage linéaire(translation) Par rotation En éventail US 3D: Acquisition des Systèmes à balayage mécanique Ex: Sté VERMON Rotation= 1,48 /ms 43 images/sec Angle conique de 60 Ventricule gauche temps réel 4 14

15 4.. US 3D: Acquisition des Systèmes d'acquisition main libre (balayage manuel) Un système de repérage fixé sur la sonde donne la position et l'orientation de la sonde à chaque instant Contraintes: Latence: faible (1ms) ou plus lente mais régulière Vitesse de mise à jour: élevée (100Hz, >>échod 30Hz) Précision des mesures: résolution échod; localisation 1mm Intéférences par l'environnement Espace de travail: système peu encombrant Les Systèmes [Bras mécanique] Repérage acoustique(us) Repérage optique Repérage électromagnétique US 3D: Acquisition des Systèmes d'acquisition main libre US 3D: Acquisition des Repérage électromagnétique, ex Esaote récepteur Transmetteur Tracking system 45 15

16 4.. US3D: Acquisition des Approximation de la fonction échantillonnée Interpolation de Shepard I( P uvw ) n M P i uvw i= 1 n 1 1 I ( M ) M P i uvw i= 1 i Dans une direction privilégiée Par plus proches voisins US3D: représentation des modalités Méthodes Plan de coupes (Multiplanar imaging) Surfaces (Surface rendering) Rendu de volume Représentations Transparentes : Minimal intensity projection Maximal intensity projection Color Composite US3D: Visualisation Plan de coupes 48 16

17 4.3. US3D: visualisation Surfaces (surface rendering): foetus semitransparent gradient US3D: Visualisation Transparent rendering Minimal amplitude Maximal amplitude Echographie 3D: applications tus in utero 51 17

18 4.4. Echographie 3D: applications vaisseaux 5 Bibliographie Manuel d ultrasonologie générale de l adulte Paulette Jouve Editeur. Masson, J.M Bourgeois, M.Boynard, P.Espinasse L image par Echographie. Sauramps Médical, Thèses Bruno ROBERT Echographie tridimensionnelle. Thèse de l'ecole Nationale Supérieur des Télécommunication François ROUSSEAU Méthodes d'analyse d'images et de calibration pour l'échographie 3D en main libre. Thèse de l'université de Rennes I. 003 Webographie DIU d Echographie,