PRINCIPES PHYSIQUES DES ULTRASONS. D.I.U. d Echocardiographie module 1

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1 PRINCIPES PHYSIQUES DES ULTRASONS D.I.U. d Echocardiographie module 1

2 Sommaire Généralités Mécanique des ondes Faisceau ultrasonore Effet piezoélectrique Doppler Modes échographiques

3 Généralités ONDE ACOUSTIQUE = vibration mécanique dans un milieu physique (comme l air ou l eau) Sons Infrasons Sons audibles Ultrasons Ultrasons > cycles par seconde

4 Généralités HISTORIQUE 1880 Frères Curie : effet piezo électrique 1881 phénomène inverse

5 Généralités HISTORIQUE 1942 DUSSIK => images du cerveau 1950 BALLANTINE => atténuation US 1950 FRENCH => mode A 1952 WILD => mode B 1965 mode TM en échocardiographie 1966 mode 2D

6 Généralités HISTORIQUE 1842 Christian DOPPLER => effet Doppler 1980 Doppler couleur

7 Généralités APPLICATIONS KHz KHz KHz -- 1 MHz -- 2 MHz -- 3 MHz MHz MHz MHz -- 3 GHz Lithotritie transcutanée Scalpel Micro nettoyage Physiothérapie Imagerie Microscope acoustique

8 Bases Physiques : mécanique des ondes Description ondulatoire p Longueur d onde l (mm, nm) Fréquence m (Hz) = nb oscillations/sec m = c / l distance l

9 Bases Physiques : mécanique des ondes

10 Bases Physiques : mécanique des ondes Description ondulatoire Amplitude Y(t) = A sin (t) i A temps Intensité acoustique

11 Bases Physiques : mécanique des ondes Intensité acoustique Pression Acoustique (Pascal) = pression exercée sur une surface 1 m2 rapport seuil audible et douleur = 1/ le Bel ou Décibel = 10 log base 10 d un rapport de deux grandeurs de niv. sonore par rapport à une référence db = 10 Log 10 (W/W 0 ) Intensité x 10 tous les 20 db, Puissance x 100

12 Bases Physiques : mécanique des ondes Pa Bar db SL Puissance (W) Correspondance Pression atmosphérique Fusée Avion à réaction Watt Seuil de douleur Discothèque Grand orchestre Rue, lieu public Conversation normale Chuchotement db Unité d échelle de normalisation

13 Bases Physiques : mécanique des ondes Intensité acoustique les Décibels en échocardiographie + Puissance à l émission + Gains + Gamme dynamique

14 Bases Physiques : mécanique des ondes Propagation des US Etat vibratoire en un point fonction de : + l élongation + la vitesse vibratoire + la pression ultrasonore P + la masse spécifique + la température absolue

15 Bases Physiques : mécanique des ondes

16 Bases Physiques : mécanique des ondes Propagation des US Célérité de l onde c = 1/sqr(r.m) r : masse spécifique au repos m : coefficient de compressibilité unité : m/s Exemples : tissu graisseux : 1450 m/s eau 37 : 1510 m/s 120 : 1480 m/s tissu sanguin : 1550 m/s muscle : => 1650 m/s

17 Bases Physiques : mécanique des ondes Propagation des US Impédance acoustique caractéristique Z (db) Z = r.c Z <=> mesure de la raideur ou de la résistance Si Z élevée (ex : eau) => milieu dur, vitesses et élongations faibles, célérité élevée Si Z faible (ex : air) => milieu mou, vitesses et élongations élevées, célérité basse

18 Bases Physiques : mécanique des ondes r c Z os ,81 muscle ,67 foie ,61 eau ,50 graisse ,39 air ,00034

19 Bases Physiques : mécanique des ondes Réflexion et Transmission des US Onde incidente V 1 Onde réfléchie V 1 + onde transmise V 2 V1 V1 V2 Z1 Z2 Coefficient de réflexion : r = ((Z 2 -Z 1 )/(Z 2 +Z 1 )) 2 pour r = 0, abs de réflexion pour r => 1, réflexion max.

20 Bases Physiques : mécanique des ondes Coefficient de réflexion os muscle foie eau graisse air Z 4,81 1,67 1,61 1,5 1,39 0,00034 os 4,81 0 0,235 0,248 0,275 0, muscle 1,67 0, E-04 0,003 0,008 1 foie 1,61 0,248 3E ,001 0,005 1 eau 1,5 0,275 0,003 0, ,001 1 graisse 1,39 0,304 0,008 0,005 0, air 0,

21 Bases Physiques : mécanique des ondes q1 q2 Vi = Vr d où q2 = q1 si Vt > Vi, q3 < q1 si Vt < Vi, q3 > q1 q3

22 Bases Physiques : mécanique des ondes Absorption I I+dI dx Coefficient d absorption : a di = - 2 a I dx ou I = I 0 e - 2 a x NB : a lié à la fréquence d émission

23 Bases Physiques : mécanique des ondes Diffraction = réflexion ultrasonore de direction diffuse au contact d un élément dont le diamètre est inférieur ou égal à la longueur d onde de l onde émise

24 Bases Physiques : faisceau ultrasonore Morphologie

25 Bases Physiques : faisceau ultrasonore Distribution de l énergie A C B

26 Bases Physiques : faisceau ultrasonore Distribution de l énergie

27 Bases Physiques : piezoélectricité Définition : capacité naturelle d un quartz à entrer en vibration mécanique sous l effet d un courant électrique qui lui est appliqué

28 Bases Physiques : piezoélectricité Propriétés réversible cristaux naturels : quartz, tourmaline, sel de rochelle cristaux de synthèse : titanate de barium, sulfate de lithium, zirconiate de Pb, métaniobate de Pb traitement : cuisson 1500 C, découpe en disques, polarisation, refroidissement dans un champ électrique pour aligner les molécules

29 Bases Physiques : piezoélectricité Propriétés Le cristal est taillé pour vibrer en mode AXIAL ou TRANVERSAL Il possède une fréquence DOMINANTE et une bande de fréquence utile Il peut émettre en mode PULSE ou CONTINU

30 Bases Physiques : effet Doppler Définition : déplacement de fréquence observé après réflexion d une onde (ultrasonore) par un objet en mouvement DF = 2 F v cosq / c F : fréquence d émission v : vitesse de l objet q : angle entre v et c c : célérité

31 Bases Physiques : effet Doppler i Fe A spectre ultrasonore émis temps spectre ultrasonore réceptionné i Fr A temps v = (Fr-Fe) c / 2 Fe cosq

32 Bases Physiques : effet Doppler Application : extrapolation des vitesses de déplacement des objets à partir d émissions ultrasonores quantification des flux vasculaires quantification des flux intracardiaques quantification des déplacements de parois Modes : Doppler Pulsé Doppler Continu Doppler Couleur

33 Modes échographiques Mode A (amplitude) émission/réception d un spectre ultrasonore compteur temporel mesure d intensité par déflexion Information distance Intensité réfléchie

34 Modes échographiques Mode A

35 Modes échographiques Mode B (brillance) émission/réception d un spectre ultrasonore compteur temporel mesure d intensité par niveau de gris Information distance Intensité réfléchie

36 Modes échographiques Mode B

37 Modes échographiques Mode TM (mouvement) Défilement dans le temps d une ligne B temps

38 Modes échographiques Mode TM

39 Modes échographiques Mode Bidimensionnel balayage spatial par une ligne B balayage continu => image dynamique

40 Conclusion Ultrasons ==> Signaux Images échographiques CAPTEUR ECHOGRAPHE