FORMATION DE L IMAGE ECHOGRAPHIQUE. Dr Hamidou DEME

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1 FORMATION DE L IMAGE ECHOGRAPHIQUE Dr Hamidou DEME

2 OBJECTIFS - Connaître les caractéristiques des Us - Décrire l interaction des ondes acoustiques avec la matière: réflexion++ - Définir la piézoélectricité - Décrire les bases de la formation de l image échographique

3 PLAN INTRODUCTION PRINIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE INTERACTION DES ONDES ACOUSTIQUES AVEC LA MATIERE GENERATION DES US PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE CONCLUSION

4 INTRODUCTION Échographie = imagerie par réflexion (= transmission ou émission) Absence d effet indésirable - pas de rayonnement ionisant - pas d effet biologique aux puissances utilisées en imagerie Faible encombrement : utilisable au lit du patient Faible coût Utilisé dans de nombreuses spécialités médicales Opérateur dépendant

5 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE

6 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Onde progressive : propagation dans un milieu d une perturbation d une ou de plusieurs caractéristiques physiques de ce milieu Ondes acoustiques : vibrations mécaniques ordonnées correspondant à des variations de pression des milieux traversés.

7 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Caractéristiques des ondes acoustiques: Propagation de l énergie de proche en proche grâce aux forces de liaison intermoléculaires (ne se propagent pas dans le vide) Transport d énergie sans transport de matière Déplacements moléculaires dans la direction longitudinale (pour les tissus mous) autour d une position d équilibre

8 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Paramètres caractérisant l onde acoustique: Célérité (c) : vitesse de propagation de l onde dans le milieu. Elle dépend uniquement des propriétés physiques du milieu. [m.s-1] (1540m/s) Longueur d onde (λ) : distance séparant 2 points identiques de l onde acoustique. [m] Période (T) : délai séparant 2 points identiques de l onde acoustique *s+ Fréquence (F) : nombre de variations de pression par seconde. [Hertz Hz] F = 1/T λ = c.t = c/f

9 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Paramètres caractérisant l onde acoustique: Pression acoustique (p) [Pa] Intensité acoustique ou puissance surfacique (I) : énergie moyenne traversant perpendiculairement l unité de surface par unité de temps [mw.cm-2]

10 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Paramètres caractérisant le milieu: La masse volumique (ρ) : masse par unité de volume [Kg.m-3] L élasticité ou module d Young (E) : constante reliant la déformation du milieu à la contrainte exercée (loi de Hooke). Il est d autant plus grand que le milieu est moins compressible [Kg.m-1.s-2] L impédance acoustique (Z) : caractéristique du milieu, définie par Z = ρ. c = E. ρ [Kg.m-2.s-1]

11 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Les ultrasons (US) SONS INFRASONS FREQUENCES 0 à 20 Hz SONS AUDIBLES 20Hz à 20 KHz ULTRASONS 20KHz à 1GHz HYPERSONS Supérieur à 1 GHz

12 PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE Propagation des ondes acoustiques Interface = frontière entre 2 milieux d impédance différente Coefficient de réflexion (R) : fraction d énergie réfléchie par l interface. Il est proportionnel à la différence d impédance entre les 2 milieux.

13 INTERACTION DES ONDES ACOUSTIQUES AVEC LA MATIERE

14 Interaction des ondes acoustiques avec la matière : Atténuation Absorption Réfraction / réflexion Diffusion

15 Atténuation I transmise = I(l) = I o exp (-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, I 0 = intensité initiale, m = coefficient linéaire d atténuation dépendant de la fréquence L intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu en profondeur.

16 Atténuation du faisceau US Absorption : énergie déposée dans le milieu par le faisceau US (transformation de l énergie mécanique en chaleur) Dans un milieu homogène (Z constant) l intensité du faisceau décroit par absorption selon la relation : Ix = I0 e-αx [db.cm-1] Ix : intensité du faisceau à la distance x de la source I0 : intensité du faisceau à la source α : coefficient d absorption, proportionnel au carré de la fréquence US L atténuation augmente donc avec : - la fréquence du faisceau les fréquences élevées seront réservées à l exploration des structures superficielles. - l épaisseur du milieu traversé

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

18 Réflexion : se produit lorsque le faisceau US rencontre une interface dont les dimensions sont supérieures à celles de la longueur d onde du faisceau. En échographie, la détection de la fraction réfléchie (écho) est à l origine de la formation de l image.

19 Interaction des ultrasons / milieu biologiques Réflexion Onde incidente c 1,Z 1 c 2,Z 2 Onde transmise Onde réfléchie Interface

20 Impédance dans les tissus biologiques Milieu Eau Air Sang Graisse Foie Muscle Peau Os cortical Impédance (MRayl)

21 Réflexion La réflexion des ultrasons aux interfaces donne les limites anatomiques des organes. Plus DZ =Z 2 -Z 1, plus l'énergie réfléchie est importante interface tissu mou/tissu mou : proportion d énergie réfléchie est faible (moins de 1%)

22 interface tissu mou/air : réflexion de l onde incidente est quasiment totale (99.9%) poumons et tube digestif =obstacle interface tissu mou/os : réflexion de l onde incidente est importante (environ 40%) squelette (côtes, crâne) = obstacle

23 Cône d ombre acoustique en cas de réflexion très intense (os, air, calcification) Z tissu Z obstacle Ztissu - Z obstacle 1

24 enforcement postérieur en cas de zône d hypoatténuatio (kyste liquidien) atténuation atténuation Zone de plus faible atténuation

25 Réfraction / réflexion Angle autre que 90 sin i sin t c c 1 2 R = [(Z 2 cos i Z 1 cos t )/( Z 2 cos i + Z 1 cos t )] 2 T = 4 Z 2 Z 1 cos i cos t /( Z 2 cos i + Z 1 cos t ) 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 ( = 0).

26 Réflexion: air/peau Z air = 0,0004 Z peau = 1, 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 (gel) dont l impédance acoustique est voisine de celle de l épiderme

27 DIFFUSION Diffusion : se produit lorsque le faisceau US rencontre une interface dont les dimensions sont très petites devant la longueur d onde du faisceau (sphère élastique). La sphère se comporte comme une source secondaire et une fraction minime de l énergie absorbée est réémise dans toutes les directions (à la même fréquence que l onde incidente). Il s agit de l interaction prépondérante avec les éléments figurés du sang

28 Diffusion : émission dans toutes les directions d une fraction de l énergie par des cibles de petite taille devant le longueur d onde. Echostructure : diffusion Bords (limites) des structures : réflexion aux interfaces

29 Interaction des ultrasons / milieu biologiques Diffusion c 2,Z 2 Onde diffusée L énergie diffusée qui revient vers l arrière est rétrodiffusée

30 Diffusion L'échostructure des tissus est due aux échos diffusés par les petites cibles diffusantes. Espace liquidien (kyste) vide d'échos (anéchogène) L'intensité du signal diffusé dépend de la taille, du nombre de diffuseurs et de leur variation de densité et compressibilité Diffusion par le sang (GR) effet Doppler

31 GENERATION DES US

32 GENERATION DES US PIEZO-ELECTRICITE Définition : transformation d une déformation mécanique en signal électrique et inversement. Effet propre à certains cristaux (quartz) ou céramiques anisotropes (ferroélectriques), lié à l asymétrie de répartition des charges consécutive à une déformation La différence de potentiel générée est proportionnelle à la déformation exercée Inversement, l application d une tension électrique provoque une déformation du cristal Permet au même élément (transducteur) d être à la fois émetteur et récepteur (alternance émission/réception)

33 GENERATION DES US Transducteurs ultrasonores Émission : un courant de haute fréquence est appliqué pendant une fraction de seconde au cristal piézo-électrique (onde impulsionnelle) Vibration mécanique émission d un train d onde bref Réception des échos US sous forme de vibrations mécaniques transformation en signal électrique aux bornes du cristal (selon son intensité: point gris) Le signal électrique est directement dépendant des interfaces rencontrées par le faisceau US

34 GENERATION DES US Transducteurs ultrasonores La distance séparant l interface du transducteur sera calculée par : d (m) = c. t1 = c.t2 /2 avec c = 1540 m/s dans les tissus mous L amplitude du signal électrique correspond à l énergie du faisceau réfléchi, donc à la différence d impédance constituant l interface Chacune des interfaces situées dans l axe du faisceau sera caractérisée par : - sa distance par rapport au transducteur - son coefficient de réflexion

35 GENERATION DES US Le champ ultrasonore Géométrie du faisceau US : 2 zones successives 1. La zone de Fresnel : correspond à un cylindre dont le diamètre est celui de la source (en cas de source circulaire). Le front d onde est plan et la résolution spatiale est optimale. 2. La zone de Fraunhofer : correspond à un cône. Le front d onde est convexe et l intensité du faisceau diminue avec l augmentation de sa surface (= diminution de la résolution spatiale). Lorsque la fréquence et le diamètre de la source augmentent, la zone de Fresnel augmente et l angle de divergence de la zone de Fraunhofer diminue.

36 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE

37 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE Énergie électrique = impulsion Émission = conversion d énergie Propagation Réflexion - Diffusion = naissance de l écho Réception = conversion d énergie Information électrique (point selon l échelle de gris)

38 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE Émission : Sonde (excitation électrique) impulsion US Réception : Échos engendrés par réflexion ou diffusion (émettrice réceptrice) Temps de «vol» c.t = 2.z z= profondeur

39 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE Notion de résolution Distance minimale entre deux points objets Distinction précise (images) Finesse des détails

40 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE Résolution axiale (en profondeur) Plus petite distance séparant 2 points situés dans l axe du faisceau et donnant des échos distincts Elle dépend de la fréquence d émission / réception (et donc de la longueur d onde dans le milieu considéré; λ = c/f) ainsi que des caractéristiques du transducteur (facteur de qualité Q durée du train d onde) Cependant l atténuation du faisceau augmente aussi avec sa fréquence compromis entre résolution axiale et profondeur d exploration

41 RESOLUTION / PROFONDEUR Limite théorique de résolution est donnée par la longueur d'onde (l=c/f) 1 - La résolution est meilleure quand la fréquence augmente progrès augmentation de fréquence 2 - L'atténuation est proportionnelle à la fréquence La profondeur d exploration diminue quand augmente la fréquence COMPROMIS Résolution / Exploration

42 PRINCIPE DE FORMATION DE L IMAGE Résolution latérale Plus petite distance séparant 2 points situés dans un plan perpendiculaire à l axe du faisceau et donnant des échos distincts Elle dépend de la largeur du faisceau. Celle-ci peut être réduite par focalisation

43 RESOLUTION SPATIALE Limite de résolution théorique (échographe) c (tissu mou) = 1540 m/s R (mm) = 1,54/F(MHz) 0,3 mm à 5 MHz 75 micro-mètre à 20 MHz

44 RESOLUTION En résumé Résolution Avec F Avec amortissement du capteur Avec focalisation Mais compromis à trouver F Profondeur explorée

45 CONCLUSION

46 CONCLUSION US: se déplace dans la matière Impédance acoustique Réflexion: base de l échograhie Piézo-électricité++

47 MERCI DE VOTRE ATTENTION