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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
PLAN
INTRODUCTION
PRINIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE
INTERACTION DES ONDES ACOUSTIQUES AVEC LA MATIERE
GENERATION DES US
PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE
CONCLUSION
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
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.
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
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
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]
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]
PRINCIPES DE PHYSIQUE ACOUSTIQUE
Les ultrasons (US)
SONS FREQUENCES
INFRASONS 0 à 20 Hz
SONS AUDIBLES 20Hz à 20 KHz
ULTRASONS 20KHz à 1GHz
HYPERSONS Supérieur à 1 GHz
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.
Interaction des ondes acoustiques avec la matière :
Atténuation
Absorption
Réfraction / réflexion
Diffusion
Atténuation
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.
Itransmise = I(l) = Ioexp (-ml)
l = distance à la source, I0 = intensité initiale , m = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence
L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.
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
En pratique
Atténuation
La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration :
2-3 cm10 - 12 MHz
5-6 cm7,5 MHz
10 cm5 MHz
> 15 cm2,5 - 3,5 MHz
Profondeur d'exploration
maximale
Fréquence des ultrasons
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.
Onde incidente
Onde réfléchie
Onde transmise
Interface
c1,Z1c2,Z2
Interaction des ultrasons / milieu biologiques
Réflexion
MilieuEauAirSangGraisseFoieMusclePeauOs cortical
Impédance (MRayl)1.48
4.40 10- 4
1.66 1.35 1.65 1.70
7.00
Impédance dans les tissus biologiques
Réflexion
La réflexion des ultrasons aux interfaces donne les limites anatomiques des organes.
, plus l'énergie réfléchie est importante Plus DZ =Z2 -Z1
interface tissu mou/tissu mou : proportion d’énergie réfléchie est faible (moins de 1%)
interface tissu mou/os : réflexion de l’onde incidente est importante (environ 40%)
squelette (côtes, crâne) = obstacle
interface tissu mou/air : réflexion de l’onde incidente est quasiment totale (99.9%)
poumons et tube digestif =obstacle
Cône d ’ombre acoustique
en cas de réflexion très intense
(os, air, calcification)
1obstacle tissu Z-Z
Ztissu
Zobstacle
Renforcement postérieur en cas de zône d ’hypoatténuation(kyste liquidien)
atténuation
Zone de plus faible
atténuation
atténuation
Réfraction / réflexion
Angle autre que 90°
2
1
sin
sin
c
c
t
i
R = [(Z2cosi – Z1cost)/( Z2cosi + Z1cost)]2
T = 4 Z2 Z1 cosi cost/( Z2cosi + Z1cost)2
En pratique échographique, le phénomène de réfraction est généralement négligeable, car les différences de célérité des tissus biologiques sont faibles et les incidences utiliséesvoisines de celles de la normale ( = 0).
Réflexion: air/peau
Zair= 0,0004 Zpeau= 1,62
1
.999
.001
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
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
Diffusion : émission dans toutes les directions d’une fraction de l’énergiepar des cibles de petite taille devant le longueur d’onde.
Echostructure : diffusionBords (limites) desstructures : réflexion aux interfaces
c2,Z2
Interaction des ultrasons / milieu biologiques
Diffusion
Onde diffusée
L ’énergie diffusée qui revient vers l ’arrière
est rétrodiffusée
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
GENERATION DES USPIEZO-ELECTRICITE
Définition : transformation d’une déformation mécanique en signal électrique et inversement.
• Effet propre à certains cristaux (quartz) ou céramiques anisotropes (ferro-électriques), 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)
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
GENERATION DES USTransducteurs 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
GENERATION DES USLe 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.
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)
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
PRINCIPE DE FORMATION DE L’IMAGE
Notion de résolution
Distance minimale entre deux points objets
Distinction précise (images)
Finesse des détails
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
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
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
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
RESOLUTION
En résumé
Résolution
Avec F
Avec amortissement du capteur
Avec focalisation
Mais compromis à trouver
F
Profondeur explorée
CONCLUSION
US: se déplace dans la matière
Impédance acoustique
Réflexion: base de l’échograhie
Piézo-électricité++