GÉNÉRALITÉS SUR LES TECHNIQUES D EXPLORATION ULTRASONIQUE EN MÉDECINE VASCULAIRE : «TECHNIQUES ANGIOSONOLOGIQUES»

Transcription

1 GÉNÉRALITÉS SUR LES TECHNIQUES D EXPLORATION ULTRASONIQUE EN MÉDECINE VASCULAIRE : «TECHNIQUES ANGIOSONOLOGIQUES» (DOPPLER CONTINU, DOPPLER PULSÉ, ÉCHO-DOPPLER COULEUR) Les deux principales modalités d'exploitation des ultrasons pour le diagnostic en médecine vasculaire sont l'échographie et l effet Doppler. I- Principe de l échographie Pour les applications médicales, les ultrasons sont émis par une sonde formée d'éléments piézo-électriques. Ceux-ci traduisent un signal électrique en variations de pression donc en signal acoustique. Les ultrasons se propagent dans les tissus où ils subissent atténuation, réflexion et diffraction, mais aussi diffusion. - L'échographie se fonde sur les différences d'impédance acoustique entre les tissus. Celles-ci se traduisent par des différences de vitesse de propagation des ultrasons, qui est de 300 m/s dans l air, de 3000 à 4000 m/s dans l os, 1700 m/s dans le tendon, 1600 m/s dans le cartilage, 1450 m/s dans la graisse, 1540 m/s dans les autres tissus mous. - Lorsque le faisceau d ultrasons rencontre une limite nette de séparation entre deux tissus d'impédance acoustique différente, une portion de l'énergie acoustique émise est réfléchie, le reste étant transmis. Le rapport de l'énergie acoustique réfléchie sur - 1 -

2 l'énergie acoustique transmise est fonction de la différence d'impédance acoustique des tissus juxtaposés. Cette juxtaposition forme une interface, principale source de l'information échographique. - Lorsque les ultrasons rencontrent des cibles de très petites dimensions en comparaison de leur longueur d'onde, il se produit non plus une réflexion mais une diffusion : celle-ci disperse l'énergie acoustique de façon presque homogène et aléatoire dans toutes les directions de l'espace. Ce phénomène est exploité par le mode Doppler. C'est aussi la diffusion qui est à l'origine de l'aspect particulier de l'image échographique du parenchyme: le grain particulier de l'image est alors le simple résultat du bruit d'interférence (speckle). - Lorsque les ultrasons sont émis sous la forme d'impulsions de brève durée, leur réflexion par les différentes interfaces rencontrées dans la traversée des tissus forme autant d'échos. Ceux-ci reviennent à la sonde, où le signal acoustique est traduit en signal électrique. Le délai séparant l'émission de la réception est proportionnel à la distance parcourue. À partir de ce principe, une image anatomique en coupe peut être construite soit en déplaçant la sonde émettrice dans un même plan, soit en excitant tour à tour plusieurs éléments piézo-électriques ou groupes d'éléments piézo-électriques. (Fig. T1) - 2 -

3 - Dans leur grande majorité, les sondes actuelles d'échographie sont constituées par la juxtaposition d'un grand nombre d'éléments piézo-électriques : - les sondes linéaires sont formées par l'alignement d'un grand nombre d'éléments (128, voire 192 sur la plupart des sondes récentes). - Les sondes convexes sont constituées de la même façon, mais les éléments sont disposés selon une ligne incurvée, générant des lignes de tir divergentes. - Les sondes sectorielles ou phased array, sont formées par un nombre moindre d'éléments (par exemple 64) sur une distance plus courte. Le décalage temporel (déphasage) de l'émission des impulsions ultrasonores par chacun des éléments de la sonde permet de donner au faisceau d ultrasons une orientation. Celle-ci varie par ajustement de ces délais. On peut ainsi obtenir le déplacement du faisceau selon un secteur, et réaliser un balayage divergent. Le même principe de décalage temporel de l'émission des impulsions est mis à profit pour concentrer l'énergie acoustique en un point : c'est le principe de la focalisation électronique, principe utilisable en émission mais aussi en réception

4 II- Effet Doppler : IIa- Principe L effet Doppler repose sur la variation de fréquence apparente d un phénomène ondulatoire (onde propagée) lorsqu'il existe un déplacement relatif entre son émetteur et son récepteur. Dans le cas du Doppler à émission continue, un élément piézo-électrique génère un faisceau d ultrasons à la fréquence F. Ce faisceau, se propageant dans les tissus mous, rencontre un vaisseau au sein duquel les globules rouges constituent des cibles de très petites dimensions en regard de la longueur d'onde ultrasonore. Le faisceau ultrasonore fait donc l'objet d'une diffusion de sorte que, quelle que soit l'orientation de la sonde, une portion de l'énergie acoustique émise se trouve renvoyée vers la sonde. On parle d'énergie rétro-diffusée. Capté alors par la sonde, qui comporte un élément piézo-électrique dédié à la réception, le signal acoustique peut être comparé, quant à sa fréquence, au signal émis : il existe entre le signal émis et le signal reçu une différence de fréquence liée à l effet Doppler. En effet, les globules rouges dans la colonne sanguine en mouvement constituent vis-à-vis du faisceau ultrasonore incident des récepteurs mobiles, à l'origine d'un premier effet Doppler. Ils constituent ensuite autant de diffuseurs mobiles, qui renvoient les ultrasons vers la sonde, elle-même fixe. L effet - 4 -

5 Doppler se produit donc deux fois. (Fig. T3). Il est possible d'établir, entre la vitesse d'écoulement du sang et la variation de fréquence constatée, une relation simple : δf= 2F V cos(θ)/c Avec : V = vitesse circulatoire sanguine F = fréquence ultrasonore à l'émission δf = variation de fréquence constatée entre le signal émis et le signal reçu C = vitesse moyenne de propagation des ultrasons dans les tissus mous, soit 1540 m/s θ = angle d'incidence, formée par l'axe de propagation du faisceau d ultrasons, et la direction de l'écoulement sanguin Il importe de souligner que l'équation ainsi posée ne peut être entièrement résolue que si l'on connaît non seulement la variation de fréquence due à l effet Doppler, mais aussi l angle d'incidence (θ), ce qui n est en pratique possible que par le couplage avec l échographie

6 Le Doppler à émission continue fait donc appel à une sonde constituée de deux éléments juxtaposés : un cristal émetteur, et un cristal récepteur. L'émission est permanente de même que la réception : tout écoulement se trouvant dans la zone explorée par le faisceau est capté et donne naissance à un signal Doppler. IIb- La représentation du signal Doppler : Le signal Doppler ainsi obtenu donne lieu à une transcription sonore : en effet, eu égard aux fréquences ultrasonores utilisées en médecine (1 à 20 MHz au maximum, 2 à 14 dans les applications courantes) et aux vitesses circulatoires rencontrées dans les vaisseaux sanguins chez l'homme, la fréquence Doppler obtenue se trouve située dans le spectre des fréquences audibles par l'oreille humaine. Il suffit donc de l'amplifier pour fournir à l'observateur un témoin très utile lors de l'examen. Le son délivré par le hautparleur permet : - de prendre connaissance de l'interception d'un vaisseau, - de guider l'ajustement de la position de la sonde pour obtenir un signal optimal, - d'identifier le vaisseau (artère ou veine en fonction de la modulation du son), - d'interpréter les conditions de l'écoulement (écoulement normal ou pathologique) - 6 -

7 Le signal Doppler fait aussi l'objet d'une représentation graphique. Celle-ci, sur les appareils Doppler à émission continue autonomes, est généralement fournie par un dispositif simple du type «compteur de passage par zéro». Ce dispositif donne du spectre des fréquences Doppler présentes dans le signal une représentation unique, proche de la moyenne des carrés. En pratique, cette moyenne reste bien représentative des conditions de l'écoulement dans le vaisseau si cet écoulement n'est pas localement perturbé (par exemple par une sténose). Par contre, la destruction du profil d écoulement dégrade considérablement la signification du signal graphique obtenu en sortie de ce dispositif, ne permettant alors aucune quantification. Dans son utilisation clinique, ce système permet l'analyse des conditions circulatoires, notamment la mesure des vitesses. L'observation directe et la quantification des perturbations locales de l'écoulement créées notamment par une sténose imposent le recours à un autre procédé d'analyse et de retranscription du signal Doppler : il s'agit de l'analyse spectrale en temps réel. IIc- L analyse spectrale : L'analyse spectrale en temps réel repose sur une numérisation préalable du signal, permettant l'application d'algorithmes mathématiques simplifiés (la Transformée rapide de Fourier, dans la majorité des cas) : ceci permet d'identifier, dans le spectre des fréquences Doppler, chaque gamme de fréquence avec l'énergie correspondante. Cette - 7 -

8 énergie est en fait proportionnelle au nombre de diffuseurs, c'est-à-dire de globules rouges, se déplaçant, dans le volume de mesure, à la vitesse correspondante. Sur le tracé ainsi obtenu, où sonogramme, on retrouve en abscisse le temps, comme sur le tracé analogique, en ordonnée la fréquence Doppler, c'est-à-dire la vitesse circulatoire, et dans une troisième dimension, formée par l'intensité lumineuse dans l'échelle de gris, l'énergie du signal (Fig T4). L'analyse spectrale permet la visualisation et l'observation détaillée des perturbations de l'écoulement. Elle permet aussi de déterminer les principaux paramètres utiles pour quantifier le signal Doppler. Par exemple, c'est sur les données de l'analyse spectrale que peut être déterminée la fréquence Doppler moyenne, donc la vitesse circulatoire moyenne nécessaire au calcul du débit. II-d Le Doppler à émission pulsée : Le mode Doppler à émission continue, bien qu'encore largement utilisé, présente une limite importante : il est dépourvu de résolution spatiale, c'est-à-dire qu'il est incapable d'indiquer la provenance topographique des signaux captés. Le mode Doppler a émission pulsée répond à cette limite par un fonctionnement analogue à celui de l'échographie : l'émission ultrasonore n'est plus continue mais discontinue, par impulsions brèves. Dans l'intervalle séparant deux impulsions, le - 8 -

9 système passe en mode de réception et capte donc les impulsions rétro-diffusées par les globules rouges. Le signal Doppler ainsi obtenu comporte, bien sûr, l information de variation de fréquence proportionnelle à la vitesse d'écoulement, mais aussi l information de délai par rapport à l'émission, permettant de connaître la distance parcourue par l'impulsion ultrasonore donc la situation du vaisseau à l'origine de ce signal (Fig T5).. Le temps pendant lequel les signaux rétro-diffusés sont acceptés et analysés est réglable par l'utilisateur. Si cette période de réception est très proche de l'émission, seuls les vaisseaux très superficiels qui sont pris en compte. Si le délai est allongé, ce sont les vaisseaux de situation plus profonde qui sont enregistrés. De même, si la période de réception est très brève, seule une très petite zone de l'espace, le long de la ligne de tir, sera prise en compte. Au contraire, si cette période de réception est allongée, une large zone le long de la ligne de tir sera examinée. C'est ainsi que l'on dispose, en Doppler émission pulsée, de ce qui est communément appelé un volume de mesure, permettant à l'utilisateur d'enregistrer sélectivement tel ou tel vaisseau visualisé sur l image échographique, voire une zone précise au sein de la lumière de ce vaisseau. Le mode Doppler à émission pulsé présente donc l'unique avantage d'une résolution spatiale. En revanche, il rencontre plusieurs limites, parmi lesquels le risque d'ambiguïté spectrale (aliasing). En effet, l'examen dans ce mode d'un vaisseau de situation profonde ne permet pas la mesure fiable des vitesses rapides. La limite imposée est dictée par le théorème de Shannon : une fréquence ne peut être correctement identifiée à partir d'échantillons que si ceux-ci sont prélevés à une - 9 -

10 fréquence au moins deux fois supérieure. En pratique, dans l'utilisation du Doppler à émission pulsé, la vitesse circulatoire maximale mesurable est d'autant plus basse que la profondeur d'exploration est grande. Le dépassement de cette limite introduirait une ambiguïté spatiale, c'est-à-dire l incapacité de déterminer avec certitude la provenance du signal, et donc la perte de l'avantage du mode Doppler pulsé. III- Le couplage échographie-doppler : Le mode Doppler pulsé peut être aussi combiné avec l'échographie. Les nombreux éléments juxtaposés d une sonde peuvent être utilisés par groupes alternativement en mode échographique et en mode Doppler : on obtient ainsi l'exploration écho-doppler. Lorsque l'alternance d'un mode à l'autre est suffisamment rapide, on obtient le mode duplex qui fournit simultanément l'image échographique du vaisseau et l'enregistrement Doppler de l'écoulement au sein de ce même vaisseau avec analyse spectrale. IV- Le Doppler couleur : C'est encore le Doppler à émission pulsé qui est mis à contribution pour la cartographie des flux en couleur, communément appelée Doppler couleur. De la même façon que le plan de coupe est balayé en mode échographique, il est balayé en mode Doppler à émission pulsée. Sur chacune des lignes de tir, la détection d'un signal Doppler est

11 représentée sur l'image par un point de couleur (rouge si le flux se rapproche de la sonde, bleu si le flux s'en éloigne) (Fig T7). Des algorithmes simplifiés permettent en outre d estimer la vitesse moyenne des cibles diffusées (c'est-à-dire, encore une fois, des globules rouges). Un code de couleur est alors utilisé, en désaturant la couleur fondamentale, bleue ou rouge, qui tend alors vers le blanc si la vitesse circulatoire augmente. C'est ainsi qu est réalisée l'image du Doppler couleur. Fondée sur un mode d'émission pulsée, celle-ci rencontre les mêmes écueils et difficultés que le Doppler à émission pulsée lui-même, notamment le risque d'ambiguïté spatiale ou d'ambiguïté spectrale. Lorsque l'appareil dispose d'une grande capacité de calcul, l'alternance du mode échographique, du mode Doppler émission pulsé, et du mode Doppler couleur, peut être rapide, donnant une quasi simultanéité de l information, généralement appelé mode triplex. Il importe de se souvenir que la cartographie des flux en couleur ne peut prétendre, de par son principe, offrir une résolution spatiale comparable à celle de l'échographie. En outre, des problèmes complexes de seuil d'affichage dégradent encore sa résolution spatiale. Par conséquent, ce mode ne peut être utilisé que pour repérer et identifier les vaisseaux, et placer dans les meilleures conditions et avec précision le volume de mesure du mode Doppler à émission pulsé. C'est celui-ci qui permettra la détermination précise de la vitesse circulatoire (cette détermination restant très approximative en mode couleur)

12 V- Doppler énergie ou doppler puissance Ce mode prend en compte le nombre de globules rouges en mouvement et leur vitesse moyenne sans tenir compte du sens de circulation mais avec une meilleure résolution spatiale que le doppler couleur. Ce mode a un intérêt particulier pour l exploration des parenchymes (rein, thyroïde). Légende des Figures visualisables sur angioweb [ Figure T1 : Principe de l échographie : les interfaces rencontrées le long du faisceau d ultrasons donnent naissance à des échos, traduits en retour par la sonde en signaux électriques, affichés sur l écran sous forme de points dont la position reproduit la topographie de leur origine. Le déplacement du transducteur, comme sur les sondes à balayage mécanique, ou la juxtaposition d un grand nombre de transducteurs (fonctionnant par groupes), comme sur les sondes à balayage électronique, permet d explorer un plan et de réaliser une échotomographie

13 Figure T2 : Principe de la focalisation électronique : le décalage temporel de l excitation de chacun des transducteurs constituant un groupe fonctionnel permet de concentrer l énergie acoustique émise (en «mimant» un transducteur large de surface concave). Le même principe est utilisé en réception. Par ce jeu de décalage temporel (décalage de phase), il est aussi possible de donner au faisceau une inclinaison (principe des sondes sectorielles «phased array»). Figure T3 : Principe du Doppler à émission continue : le transducteur émetteur génère un faisceau d ultrasons à la fréquence F. L énergie acoustique rétro-diffusée par les globules rouges en mouvement dans le vaisseau est captée par le transducteur récepteur. Sa fréquence est modifiée d une valeur δf par le déplacement des globules rouges par rapport à la sonde, en proportion de leur vitesse d écoulement V et de l angle θ formé par le faisceau d ultrasons et l axe de l écoulement. Figure T4 : Principe de l analyse spectrale en temps réel des signaux Doppler : le temps est représenté en abscisses, la fréquence Doppler (donc la vitesse circulatoire) en ordonnées, et l énergie (proportionnelle au nombre de globules rouges - diffuseurs se déplaçant, dans le volume de mesure, à la vitesse correspondante, est représentée en échelle de gris

14 Figure T5 : Principe du Doppler à émission pulsée : si l émission en mode Doppler à émission continue est permanente (sinusoïde), celle du Doppler pulsée est intermittente, sous forme de brèves impulsions dans l intervalle desquelles le transducteur émetteur passe en mode de réception. Chacun des échos captés porte une double information : son délai est proportionnel à la distance parcourue, et sa phase à la vitesse d écoulement des globules rouges qui l on rétro-diffusé. Figure T6 : Traduction de l ambiguïté spectrale («aliasing») en Doppler à émission pulsée, sur l analyse spectrale en temps réel du signal Doppler, sur une sténose de la carotide interne. Figure T7 : Principe du «Doppler Couleur» : chacun des groupes fonctionnels de transducteurs formant la sonde échographique fonctionne alternativement en mode échographique (mode B), et en mode Doppler couleur : plusieurs volumes de mesure sont explorés le long de chaque ligne de tir, et la présence d un effet Doppler est signalée par un point rouge (si le flux s approche de la sonde) ou bleu (si le flux s en éloigne)