formation de l'image échographique

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L'Image Ultrasonore

Bases Techniques et Matériel

Objectifs :

1. Connaître les bases de la formation des ultrasons et de la transmission des ultrasons dans la matière.
2. Comprendre les phénomènes de réflexion, réfraction, et atténuation des ultrasons à la base de la formation des images échographiques.
3. Connaître les 3 grands modes de représentation en échographie et leurs utilisations.
4. Connaître les facteurs influençant la résolution de l'image ultrasonore et la différence entre résolution axiale et résolution latérale.

1. Rappels sur les ultrasons
1.1. Caractéristique de l'onde sonore

Les sons sont émis par des corps animés d'un mouvement vibratoire et se propagent sous forme d'ondes mécaniques susceptibles de subir des réflexions (échos), des réfractions, et des interférences. La propagation des sons ne peut se faire que dans la matière. Les sons ne sont pas transmis par le vide, contrairement aux rayonnements électromagnétiques (rayons x). Les molécules du milieu traversé subissent des phénomènes de compression et de relaxation successifs et transmettent ces modifications aux molécules voisines. L'onde sonore en déplacement dans un milieu donné est caractérisée par sa fréquence (f) et sa longueur d'onde (l). Ces 2 caractéristiques permettent de déterminer la vitesse de propagation des sons (v) dans le milieu :
v = l x f

La vitesse de propagation des sons dans la matière dépend essentiellement des caractéristiques du milieu (élasticité, densité). La vitesse de propagation moyenne des sons dans les tissus mous (1540 m/s) est utilisée par l'échographe pour déterminer la distance de l'écho à partir du "temps de vol".
Milieu Vitesse de propagation (m/sec)
Air 330
Eau 1480
Tissus mous 1540
Os 4080
1.2. Sons, ultrasons

Les ultrasons sont des sons dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz; ils sont inaudibles pour l'oreille humaine. En échographie, les ultrasons utilisés ont une fréquence qui varie entre 2 et 40 MHz. Les fréquences les plus employées en échographie vétérinaire sont entre 3,5 et 10 MHz.
2. Principe de fonctionnement de la sonde
2.1. Transducteur

Un transducteur est un élément qui transforme une forme d'énergie en une autre. Pour les sondes d'échographie, l'énergie électrique est convertie en ultrason et vice versa. Un microphone ou une enceinte réalise le même type de transformation pour les sons audibles. Le transfert d'énergie utilise l'effet piézoélectrique.
2.2 Effet piézoélectrique

L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Son principe est que certains matériaux, comme les cristaux de quartz, ont la propriété de se charger lorsqu'ils sont comprimés et, inversement, de se déformer (comprimer) lorsqu'ils sont chargés. Les transducteurs contenus dans les sondes d'échographie sont généralement des céramiques de Plomb Zirconate de Titane (PZT).

En appliquant un courant alternatif sur un cristal piézoélectrique, le cristal se comprime et se décomprime alternativement et émet donc un son. Dans une sonde d'échographie, l'excitation du cristal piezoélectrique est réalisé par une impulsion électrique, à la manière d'une cloche que l'on frappe. Le cristal entre alors en raisonnance et émet des ultrasons dont la fréquence dépend de l'épaisseur du cristal. La fréquence est d'autant plus élevée que le cristal est mince.
2.3 Principe de fonctionnement de l'échographe

Le même cristal piézoélectrique est utilisé pour émettre des ultrasons à partir d'une impulsion électrique et pour transformer en courant électrique les ultrasons qui reviennent vers la sonde après avoir été réfléchis. La sonde n'émet donc pas des ultrasons en continu, mais en salve. L'onde ultrasonore est racourcie à, l'aide d'un matériel d'amortissement placé derrière le cristal.

Pendant le reste de temps, la sonde est "à l'écoute" pour capter les ultrasons.

Émission des ultrasons Réception des ultrasons

La durée des salves est très courte, de l'ordre de quelques microsecondes, et correspond à l'émission de 3 à 4 cycles en moyenne. La durée de la salve est un élément très important car elle détermine en grande partie la résolution de l'image échographique. Plus elle est courte, meilleure est l'image. La durée de la salve dépend de la fréquence des ultrasons (donc du cristal) et du matériel d'amortissement placé derrière le cristal, et que l'on peux comparer à une main placée sur le cloche.

La durée de la période d'attente est plus longue, de l'ordre de la milliseconde. La fréquence de répétition du cycle est donc de l'ordre du kHz, ce qui donne l'impression d'une imagerie en temps réel.
3. Formation de l'image
3.1 Caractéristiques du milieu

Les paramètres déterminants dans la propagation des sons dans les différents milieux sont la densité ou masse volumique (d) et la vitesse de propagation des sons (v). L'impédance acoustique (Z) est définie par le produit de ces 2 caractéristiques du milieu :
Z = d x v.

La vitesse de propagation dans les différents milieux dépend beaucoup de leur compressibilité ou dureté. L'impédance acoustique dépend donc essentiellement de la dureté des milieux.

Une interface est constituée de la juxtaposition de 2 milieux d'impédance acoustique différente. Dans l'organisme, les grandes différence d'impédance acoustique se rencontrent entre les tissus mous et l'air et entre les tissus mous et les tissus durs (os, calculs, corps étrangers).
3.2 Réflexion

Un écho est un son qui est réfléchi et qui est réceptionné après un temps de latence, correspondant à son temps de déplacement dans le milieu concerné. Lorsque un faisceau d'ultrason arrive sur une interface placée à angle droit par rapport à sa direction initiale, une partie est réfléchie et repart dans le sens opposé, et l'autre partie traverse l'interface et continue sa route sans changer de direction. La proportion d'ultrasons réfléchis ou coefficient de transmission est directement proportionnel à la différence d'impédance acoustique entre les 2 milieux.

De telles interfaces, très réfléchissantes (très "échogène") se retrouvent lorsque les tissus mous organiques sont en contact avec de l'air (poumon, tube digestif) ou des structures minéralisées (os, calculs).
3.3 Réfraction

Lorsque le faisceau ultrasonore arrive sur une surface réflective avec un angle oblique, une partie du faisceau est réfléchi avec un angle de réflexion égal à l'angle incident. La partie transmise est déviée avec un angle qui dépend de la vitesse de propagation des 2 milieux concerné. Il s'agit du phénomène de réfraction.

En échographie l'interaction du faisceau ultrasonore avec une surface oblique lisse entraîne une disparition du signal, car aucun son ne revient directement sur la sonde après la réflexion oblique et le faisceau change de direction après la réfraction. Ce phénomène est à l'origine d'un artefact fréquent appelé "ombre de bord".

L'influence de l'angle des ultrasons sur l'aspect échographique des structures organiques observées est plus ou moins marqué. Les tendons et les ligaments font partie des structures dites anisotropiques pour lesquelles l'aspect échographique est fortement influencé par la direction du faisceau d'ultrason.
3.4 Réflexion diffuse - Dispersion

La plupart des images échographiques sont formées par des échos de réflexion diffuse sur une surface irrégulière et des échos de dispersion dans un milieu hétérogène. L'échogénicité des organes parenchymateux, par exemple, est essentiellement formée par des échos de dispersion, dont l'intensité dépend de l'homogénéité tissulaire.
3.5 Atténuation

Par expérience, l'intensité d'un son diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la source ou que l'on place des interfaces entre l'émetteur et le récepteur de son. Il en est de même avec le faisceau ultrasonore utilisé en échographie, dont l'intensité diminue avec la profondeur d'exploration. Cette atténuation des ultrasons est due aux multiples interactions vues précédemment (réflexion, dispersion, réfraction) qui diminuent l'intensité du faisceau lorsque celui-ci pénètre dans les tissus.

L'atténuation des ultrasons dépend des milieux traversés, mais aussi des caractéristiques de l'onde ultrasonore, et en particulier de la fréquence des ultrasons : plus la fréquence des ultrasons augmente, plus l'atténuation est importante.

La fréquence des ultrasons a donc une influence déterminante sur les possibilités d'exploration :
Fréquence des ultrasons Profondeur d'exploration maximale
2,5 - 3,5 MHz > 15 cm
5 MHz 10 cm
7,5 MHz 5-6 cm
10 - 12 MHz 2-3 cm
3.6 Reconstruction de l'image échographique

L'image ultrasonore est reconstituée à partir des informations recueillies par la sonde et transmises à l'appareil. Les informations sont traitées par un logiciel complexe qui permet de déterminer la position et l'intensité de l'écho et de représenter l'image (ou le signal) pour être interprétée par l'opérateur.

Ce traitement du signal repose sur un certain nombre d'hypothèse :

1. La direction du faisceau ultrasonore est unique
2. Une seule réflexion a eu lieu
3. La distance entre la sonde et l'endroit où s'est produit la réflexion (l'écho) est calculé par le "temps de vol", en utilisant la vitesse de propagation moyenne des ultrasons dans les tissus mous (1540 m/s).

Lorsqu'une ou plusieurs de ces hypothèses sont fausses, des échos parasites, qui ne correspondent pas à une structure réelle, apparaissent sur l'image : ce sont des artefacts.
4. Représentation de l'image ultrasonore
4.1. Mode A

Le mode A est le mode de représentation de l'image le plus primitif. Il consiste à afficher l'amplitude du signal recueilli par la sonde en fonction de la profondeur. Un seul faisceau ultrasonore de direction constante est utilisé. Ce mode était autrefois utilisé en neurologie pédiatrique et en ophtalmologie. Il est exposé ici uniquement pour permettre de mieux comprendre les modes B et TM.
4.2. Mode B

Le mode B ou brillance est le mode de représentation le plus commun. Il s'agit de représenter l'intensité du signal non plus par une courbe mais par la brillance d'un point sur l'écran. Plus le point est brillant, plus la réflexion des ultrasons a été importante et donc, plus l'écho est intense.

Lorsque plusieurs faisceaux ultrasonores parallèles les uns aux autres sont utilisés (sonde linéaire) ou lorsque le même faisceau ultrasonore est orienté dans des directions différentes (sonde sectorielle) on obtient une image en 2 dimensions (Bidimentionnelle) qui représente une coupe de la structure explorée :
4.3. Mode M ou TM

Lorsqu'un même faisceau ultrasonore est observé en continu, les mouvements des objets traversés par le faisceaux font varier la position et l'intensité des ultrasons recueillis par la sonde au cours du temps. La représentation des variations de la position et de la brillance des échos en fonction du temps, constitue le mode M (mouvement) ou TM (temps-mouvement). Ce mode permet d'obtenir une résolution temporelle supérieure au mode B et de pouvoir observer des événements très rapides.

Le mode TM est uniquement utilisé en échocardiographie pour observer les mouvements des parois et des valvules cardiaques.
5. Qualité de l'image : résolution

En échographie mode B, on peut définir 2 types de résolution : la résolution axiale et la résolution latérale.
5.1. Résolution axiale

La résolution axiale de l'image bidimensionnelle dépend essentiellement de la fréquence des ultrasons. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est petite et plus la résolution axiale est bonne. On se rappelle que la fréquence de la sonde a une influence également sur l'atténuation des ultrasons et donc de la profondeur d'exploration. Plus la sonde est de basse fréquence (3,5 - 5 MHz), plus la profondeur d'exploration est importante, mais moins bonne est la qualité de l'image.
5.2. Résolution latérale

La résolution latérale de l'image bidimensionnelle dépend de la taille (épaisseur) du faisceau ultrasonore. Les ultrasons, à la sortie de la sonde, ont tendance à converger naturellement. Le faisceau ultrasonore a ensuite tendance à se disperser lorsqu'il s'éloigne de la sonde. Le faisceau ultrasonore n'a donc pas la même épaisseur tout le long de son trajet. La distance de focalisation est la distance entre la sonde et l'endroit le plus étroit du faisceau. De plus, certaines sondes (sondes électroniques) possèdent plusieurs cristaux arrangés en ligne ou en anneau pour lesquelles une focalisation supplémentaire du faisceau peut être réalisée. Avec ces sondes, la profondeur de focalisation peut être modifiée par l'opérateur pour la faire coincider avec la région observée au cours de l'examen.
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