L'échographie
Principe de l'échographie
Principe physique : L'onde ultrasonore
L'onde ultrasonore est une onde de pression qui se propage dans un milieu élastique. Le milieu de propagation de l'onde ultrasonore est soumis à une succession de surpressions et de dépressions et ses particules sont soumis d'un mouvement de va et vient dans l'axe de déplacement, de type sinusoïdal.
Principaux Paramètres physiques
La célérité c
La célérité est la vitesse de propagation de la variation de pression dans le milieu.
c=Z/ ρ c=m/s Z=kg/m²/s ρ=kg/m 3
Quelques valeurs : Air=340m/s ; Foie=1535-1580m/s ; Os=2100-4080m/s.
L'impédance Z
L'impédance acoustique dépend de la masse volumique et de la compressibilité du milieu.
L'impédance Z (kg/m²/s) permet de classer l'aptitude d'un milieu à la pénétration des ultrasons.
Quelques valeurs : Air=0,0004 kg/m²/s ; Tissus mous=1,63 kg/m²/s ; Os=3,65 à 7,09 kg/m²/s.
Masse volumique ρ
Masse d'un matériau par unité de volume ρ=kg/m3.
Fréquence et Longueur d'onde
Fréquence : Ultrasons – f =20kHz à 1 GHz.
Fréquence : Sons audibles – f =20Hz à 20kHz.
Longueur d'onde des ultrasons dans le diagnostic médical : 1 à 10MHz.
λ= c/f λ=mm f =Hz c=m/s
Pour une célérité d'un tissu mou à 1550m/s à 50kHz, la longueur d'onde
λ=3,1mm
Principe de la propagation
Les ondes ultrasonores sont diffusées sous la forme d'un faisceau pour être concentrées et subissent plusieurs phénomènes en traversant la matière. Les ondes sont soient absorbées dans les milieux homogènes, soient subissent une réflexion ou une réfraction au changement de milieu.
Expérience
Le but de l'expérience est de voir comment les ultrasons se comportent face à différents obstacles et de simuler une échographie.
Nous avons utilisé comme matériel :
un oscilloscope, un générateur basse fréquence, un émetteur et un récepteur d'ultrasons, des câbles électriques, du tissu fin, une boîte rectangulaire en carton et deux parois en carton.
Protocole :
Raccorder l'émetteur et le récepteur à ultrason sur l'oscilloscope.
Raccorder l'émetteur à ultrason sur le générateur à ultrason.
La boite en carton est ouverte sur un des côtés et obstruée par un tissu fin. A l'intérieur de la boite, on a disposé un écran en carton à 15cm du tissu fin. Positionner l'émetteur et le récepteur l'un à côté de l'autre devant le tissu fin. (Emetteur et récepteur en contact avec le tissu fin).
Dans cette expérience, nous simulons le fonctionnement d'une échographie :
L'émetteur et le récepteur d'ultrasons représentent la sonde de l'échographe.
La paroi de tissu fin est assimilée à la peau.
La paroi de carton correspond à l'organe à visualiser.
On observe que le signal est émis pendant 0,2ms et le signal est reçu après 0,86ms.
Le signal Reçu est déformé par rapport au signal d'entrée, le signal a une traine comme un écho.
On est capable de déterminer la distance qui sépare l'émetteur et la paroi de carton.
On sait que la célérité de l'air c=340 m/s d'où la distance d=(340x0,00086)/2= 146 mm soit 14,6 cm.
On observe que le rapport d'amplitude entre les deux signaux est 0,12/12 = 0,01
On comprend bien que le signal se comporte identiquement aux lois physiques d'optique émis par Descartes, le signal est à la fois réféchi,réfracté et absorbé d'où cette perte d'amplitude.
Principaux éléments d'un échographe
La sonde
La sonde est l'élément essentiel et conditionne la qualité de l'image. Elle est constituée d'une fonction émettrice et réceptrice des ondes ultrasonores. Elle transforme l'impulsion électrique en onde ultrasonore et convertit les informations ultrasonores en signaux électriques. Elle fonctionne comme un transformateur d’énergie ou transducteur.
Cette fonctionnalité de transducteur est réalisée par des structures cristallines de type quartz, gallium ou céramique de type zirconium titanate de plomb ou titanate de baryum grâce à l'effet piézo-électrique.
Généralement, la sonde est constituée d'éléments céramiques.
Effet piézo-électrique
Lorsque l'on soumet un matériau piézo-électrique à une contrainte mécanique, il apparaît des charges électriques sur les faces de ce matériau (Effet direct) et inversement lorsque l'on soumet ce matériau à une différence de potentiel (tension), son épaisseur varie (Effet indirect).
Production des ondes
Un générateur de courant débite des impulsions électriques à haute fréquence appliquées au matériau (céramique). L'épaisseur de la céramique varie si la fréquence des impulsions est de l'ordre de grandeur de sa fréquence de résonance (Temps d'émission entre 1 et 2ms).
A l'inverse, lorsque la céramique subie des contraintes mécaniques dues aux variations de pression des ondes réfléchies dans l'organisme, elle fait apparaître à la surface de la céramique des différences de potentiel (tension), dont la fréquence correspond à celle de l'onde réfléchie et dont l'intensité dépend de l'intensité de l'écho (Temps de réception entre 999 et 998ms).
La sonde est constituée d'une tête céramique, l'adaptateur d'impédance, de l'amortisseur et du boîtier.
La céramique se caractérise par la fréquence de résonance du matériau et son épaisseur f=K/E
K: constante matériau.
L'adaptateur d'impédance (matériau non conducteur) isole la peau du patient de l'électrode antérieur et protège la céramique. De plus, il évite une réflexion importante du faisceau compte tenu de la forte différence d'impédance entre la céramique et la peau.
Cette réflexion est aussi diminuée par la mise en place d'un gel entre la sonde et la peau du patient.
L'amortisseur situé à l'arrière des céramiques est constitué par de l'araldite chargée d'une fine poudre ou plomb ou de tungstène et maintient les éléments piézo-électriques en place. Il permet d'amortir les vibrations de la céramique après l’impulsion électrique afin d'obtenir une durée d'impulsion courte et absorbée le rayonnement ultrasonore émis vers l'arrière ce qui entraînerait des échos parasites.
Connecteurs
Boîtier
Amortisseur
Céramique piézo-électrique
Couche protectrice
Schéma de la sonde échographique
Différentes sondes
Les sondes se différencient suivant le type d'échographie :
-Echographie ophtalmologique : 10 à 7MHz (profondeur entre 60-80). -Echographie des parties molles, de la thyroïde : 7 à 5MHz (profondeur entre 120-80mm).
-Echographie abdominale : 3,5MHz (profondeur:170mm).
Les sondes sont dites aussi à focalisation mécanique ou à focalisation électronique.
La focalisation mécanique est obtenue en utilisant une céramique à face avant concave ou bien par une lentille acoustique convexe. Cette focalisation est fixe et non modifiable mais très efficace.
La focalisation électronique est obtenue par un front d'onde de forme concave.
Cette forme d'onde est gérée électroniquement en excitant les éléments piézo-électriques avec un décalage de temps. Cette focalisation est ajustable par simple réglage et augmente les capacités d'observation. La tête de la sonde est composée d'environ 200 céramiques, de forme plane ou courbée pour un balayage linéaire étriqué, trapézoïdal et sectoriel mais aussi d'une configuration annulaire pour explorer les cavités du patient.
Emissions d'ultrasons de différentes sondes
Formation de l'image
Pour former une image, on exploite ainsi des signaux électriques analogiques qui sont amplifiés, filtrés puis numérisés.
L'image est composée des différentes lignes de balayage qui ont subi une succession d'opérations.
A Chaque émission d'ultrasons (ou ligne de tir), l'écho est caractérisé par son amplitude et son temps de réception. A=f(t)
Puis, l'amplitude est traduite par la brillance d'un point matérialisant ainsi la ligne de l'image.
Pour former une image de 512x512 pixels, on utilise de 100 à 250 lignes de tir avec 100 à 400 points par ligne.
Interprétation des images
Les images observées sont très souvent modifiées par un phénomène appelé artéfact qui est lié aux différences d'impédance, aux problèmes d'absorption ou de réflexions inadéquates. Ce phénomène peuvent être en évidence des kystes, des tumeurs, des calcifications mais peuvent aussi les dissimuler.
Les principaux phénomènes sont l'atténuation, zone d'ombre, renforcement postérieur, anisotropie, Lobe latéral.
Écho-Doppler
L’écho-Doppler est une variante de l'échographie qui permet de visualiser la circulation sanguine.
Pour cette technique, on mesure la fréquence du faisceau ultrasonore réfléchie par rapport à la fréquence émise lorsqu'il rencontre un certain nombre de cibles ou interfaces. Comme pour les globules rouges se déplacent, il se produit une modification de la fréquence du faisceau réfléchi.
En exploration vasculaire, l'écart de la différence des deux fréquences se situe entre 50Hz et 20kHZ. Cette gamme de fréquence est audible par l'homme.2-Formation de l'image. Pour former une image, on exploite ainsi des signaux électriques analogiques qui sont amplifiés, filtrés puis numérisés. L'image est composée des différentes lignes de balayage qui ont subi une succession d'opérations.A Chaque émission d'ultrasons (ou ligne de tir), l'écho est caractérisé par son amplitude et son temps de réception. A=f(t)Puis, l'amplitude est traduite par la brillance d'un point matérialisant ainsi la ligne de l'image.Pour former une image de 512x512 pixels, on utilise de 100 à 250 lignes de tir avec 100 à 400 points par ligne. Interprétation des images. Les images observées sont très souvent modifiées par un phénomène appelé artéfact qui est lié aux différences d'impédance, aux problèmes d'absorption ou de réflexions inadéquates. Ce phénomène peuvent être en évidence des kystes, des tumeurs, des calcifications mais peuvent aussi les dissimuler.Les principaux phénomènes sont l'atténuation, zone d'ombre, renforcement postérieur, anisotropie, Lobe latéral. Écho-Doppler. L’écho-Doppler est une variante de l'échographie qui permet de visualiser la circulation sanguine.Pour cette technique, on mesure la fréquence du faisceau ultrasonore réfléchie par rapport à la fréquence émise lorsqu'il rencontre un certain nombre de cibles ou interfaces. Comme pour les globules rouges se déplacent, il se produit une modification de la fréquence du faisceau réfléchi.En exploration vasculaire, l'écart de la différence des deux fréquences se situe entre 50Hz et 20kHZ. Cette gamme de fréquence est audible par l'homme.
Emetteur ultrasons
Récepteur
ultarsons
Générateur
Oscilloscope
Paroi en carton
Tissu fin
Signal émis Te=0,2ms
A= 12v
Signal reçu Tr=0,86ms
A= 120mV
Signal réfléchi par le carton
Signal réfléchi par le tissu fin