BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE L

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BASES TECHNIQUES ET PRATIQUES DE LÉCHOGRAPHIE
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1- LES ONDES ULTRASONORES
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LES ONDES SONORES

• Représentation idéale de la propagation du son
  dans lair

Les US créent une vibration longitudinale des
particules dans les tissus, sauf dans los (et
dans les matériaux solides) où se forme une
vibration transversale force de cisaillement
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LES ONDES SONORES

• Représentation des ondes transversale ou
  longitudinale

déplacement de londe
mouvement des particules
onde long.
onde transv.
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LES ONDES SONORES

• Caractérisation de londe
• la longueur donde (?) en mètres
• la fréquence (F) nombre de longueurs dondes
  (ou de cycles) par seconde en Hz
• la période (T) temps de cycle en sec
• la célérité (C) vitesse de propagation dans le
  milieu en m/sec

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LES ONDES SONORES

• La fréquence (F)
• Cest le nombre de cycles par secondes (Hz)
• 4 catégories de sons
• Infrasons 0 - 20 Hz
• Sons audibles 20 Hz - 20 kHz
• Ultrasons 20 kHz - 1 GHz
• Hyper-sons gt 1 GHz
• En échographie, la gamme de fréquence démission
  utilisée varie de 1 MHz à 20 MHz (parfois plus)

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LES ONDES SONORES

• La longueur donde (?)
• cest la distance entre deux bandes de
  compression ou de raréfaction
• cest la distance, au sein dune onde, qui inclue
  la totalité dun cycle positif et dun cycle
  négatif

BUSHONG FIG 4-6
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• La longueur donde (?)
• dans un milieu donné, la longueur donde ? varie
  avec la fréquence
• dans les tissus mous (C 1540 m/sec)
• F 0,77 MHz ? 2 mm
• F 2 MHz ? 0,77 mm
• à fréquence constante, la longueur donde ? varie
  avec la nature du milieu

? C / F (en mètres)
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Vitesse de propagation ou célérité (C)
• dans un milieu donné, C est constante, avec la
  relation suivante

C F x ?
Corps humain vitesse moyenne dans les tissus
mous 1540m/sec
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Notion dimpédance acoustique (Z)
• caractéristique acoustique du milieu
• air Z 0,0004 10-6 kg/m2/sec
• eau Z 1,48 10-6 kg/m2/sec
• tissus mous Z 1,63 10-6 kg/m2/sec
• os Z 3,65 -7,09 106 kg/m2/sec
• elle conditionne la vitesse de propagation de
  londe US

? densité ou masse volumique (kg/m3) ?
compressibilité
C Z /? (m/sec)
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Lamplitude (A) de londe US
• différence entre la position déquilibre et la
  maximum
• représente le degré de déplacement des particules
  dans une direction seulement

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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Puissance et intensité ultrasonore
• la puissance acoustique dun système contrôle le
  niveau dénergie déposée dans le milieu en
  mW/min
• on préfère utiliser la notion dintensité
  ultrasonore qui dépend de la surface de section
  du faisceau
• I Puissance / surface de section
  en mW/cm2

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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Lamplitude (A) de londe ultrasonore
• lunité utilisée dépend de la variable acoustique
  considérée
• déplacement des particules m ou µm
• pression sur les particules N / m2
• vitesse de déplacement des particules m/sec
• Lintensité (I) de londe ultrasonore
• elle est proportionnelle à lamplitude

I ?A2
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Les décibels (dB)
• cest un dixième de bel (du physicien AG Bell)
• cest lunité utilisée pour comparer les
  intensités relatives de 2 faisceaux ultrasonores
  et exprimée en logarithme de base 10
• comme lintensité est proportionnelle à
  lamplitude au carré

I intensité du faisceau en un point Io
intensité initiale du faisceau
dB 10 Log (I / Io)
dB 20 Log (A / Ao)
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LES ONDES ULTRA-SONORES

• Les décibels (dB)
• valeur dintensité relative permettant de
  comparer, par ex., les intensité émises et
  réfléchies
• Exemple

Lintensité relative est 10Log(I/Io)
10Log(0,001/10) 10Log10-4 10(-4) - 40dB
BUSHONG Fig 5-4
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2- LES PULSES ULTRASONORES
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PULSE ULTRASONORE

• Caractéristiques du pulse ultrasonore
• en échographie, on fonctionne en mode pulsé avec
  une intermittence entre émission et réception

• fréquence
• amplitude
• durée
• phase

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3- INTERACTIONS DES US AVEC LA MATIÈRE
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INTERACTIONS US-MATIÈRE

• Léchographie utilise le principe de la réflexion
  
• limage échographique est reconstruite à partir
  déchos réfléchis par les interfaces tissulaires
  du corps
• Mais elle est limitée par latténuation du
  faisceau
• lintensité du faisceau est progressivement
  réduite au fur et à mesure de sa pénétration dans
  les tissus

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• La réflexion du faisceau US
• cest le phénomène principal à lorigine des
  images échographiques
• la partie réfléchie R du faisceau constitue
  lécho
• la partie transmise T sera à lorigine de
  nouvelles réflexions plus profondes
• la proportion R/T dépend de
• la nature du réflecteur
• langle dincidence
• la différence dimpédance Z

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• Les différences dimpédance acoustique (Z)
• air Z 0,0004 10-6 kg/m2/sec
• eau Z 1,48 10-6 kg/m2/sec
• tissus mous Z 1,63 10-6 kg/m2/sec
• os Z 3,65 -7,09 106 kg/m2/sec
• Le de réflexion à une interface peut-être
  calculée par

Z C . ? (kg/m2/sec)(10-6) Rayls
R (Z2-Z1/Z2Z1) 2 X 100
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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion
Émission
Réception
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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• Réflexion sur des réflecteurs dits
   spéculaires 
• interfaces larges et lisses séparant deux milieux
  dimpédance acoustique différente par exemple
  la paroi antérieure de la vessie
• la réflexion à la sonde dépend ici de langle
  dincidence ?i (?i ?r ?t)
• pour obtenir un écho à la sonde, il faut que ?i
  soit lt 5

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• Réflexion sur des réflecteurs dits
   spéculaires 

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• Réflexion sur des réflecteurs dits
   non-spéculaires 
• soit des interfaces plus petites que la longueur
  donde
• soit des interfaces rugueuses et très
  irrégulières
• saccompagne dun phénomène de diffusion
  pluri-directionnelle (cf)
• la réflexion à la sonde ne dépend pas de langle
  dincidence et est appelé  rétro-diffusion 
  (back-scattering)

BURNS FIG 5
26
INTERACTIONS US-MATIÈRE Réflexion

• Leffet de rétro-diffusion dans les tissus
• se renforce grâce au phénomène  dinterférences
  positives 
• ce phénomène donne naissance au  speckle  dune
  image
• il caractérise  l échogénicité  et
   lécho-texture  de chaque tissu

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• Latténuation du faisceau US
• définie comme la réduction dintensité dun
  faisceau US au cours de sa progression dans le
  milieu
• elle dépend du milieu traversé et de la F du
  faisceau
• elle est exprimée en décibels (dB)
• Le coefficient datténuation (?)
• il exprime le degré datténuation par différents
  tissus dun faisceau US (caractérisé par sa F),
  en fonction de lépaisseur traversée
• elle est exprimée en dB/cm/MHz

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• Correction de latténuation courbe de gain

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• Latténuation du faisceau US dépend de 6 types
  dinteractions
• labsorption interaction directe milieu /
  faisceau
• la réfraction
• la diffraction
• la diffusion interactions interfaces sur le
  faisceau
• les interférences
• la réflexion

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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• Labsorption de lénergie par le milieu
• elle obéit à une loi exponentielle
• elle imposera, en retour, une correction
  logarithmique du gain pour compenser cette
  perte dintensité

µ coefficient dabsorption X distance à la
source
I Ioe -µX
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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• La réfraction du faisceau US
• Loi de Snell

sin ?1 C1 sin ?2 C2
BUSHONG FIG 6-4
?1 angle incident ?2 angle transmis C1
célérité dans le milieu 1 C2 célérité dans le
milieu 2
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INTERACTIONS US-MATIÈRE Atténuation

• La diffraction du faisceau US
• cest la dispersion progressive du faisceau avec
  sa progression dans les tissus son augmentation
  augmente latténuation
• elle augmente avec la diminution de la taille de
  la source

BUSHONG FIG 6-7
33
4- LE FAISCEAU ULTRASONORE
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FAISCEAU ULTRASONORE

• Forme du faisceau phénomène de divergence
• le plan du front dondes présente deux régions
  distinctes
• le champ proximal à front plat la zone de
  Fresnel
• le champs distal à front convexe la zone de
  Fraunhofer
• la qualité dimage optimale se situe dans la zone
  de transition cest la distance focale,
  caractéristique de chaque sonde

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FAISCEAU ULTRASONORE

• Lobes accessoires
• dans les sondes multi-éléments
• générés par les éléments les plus latéraux
• intensité faible (1 ou 20db / centre)

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FAISCEAU ULTRASONORE

• Forme du faisceau il dépend aussi du type de
  sonde
• sondes mono-élément
• fixe (crayon) balayage manuel
• mobiles balayage mécanique temps réel
• sondes multi-éléments
• annulaires anneaux concentriques
• barrettes de cristaux linéaires ou courbes

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FAISCEAU ULTRASONORE

• Varie selon le type de sonde

cristal plat unique
cristal annulaire
cristaux multiples
38
5- LA FOCALISATION DU FAISCEAU ULTRASONORE
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EFFET DE LA FOCALISATION

• Objectif amélioration de la résolution spatiale

résolution latérale
résolution en épaisseur
résolution spatiale latérale et en épaisseur sont
maximales en zone de focalisation
40
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Sondes mécaniques la focalisation mécanique est
  bi-D

céramique à face concave dans 1 ou les 2
directions
lentille acoustique convexe à faible célérité
41
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Focalisation mixte des barrettes électroniques

BUSHONG FIG 11-22
focalisation électronique et réglable dans le
plan de coupe
focalisation mécanique et fixe dans lépaisseur
de coupe
42
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Focalisation dans lépaisseur de coupe des sondes
  barrettes elle est mécanique et fixe

43
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Focalisation dans le plan de coupe des sondes
  barrettes
• elle est électronique et réglable en profondeur

BUSHONG FIG 11-21
44
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Diminution de lépaisseur du faisceau US

sonde matricielle 1,5D
45
FOCALISATION DU FAISCEAU

• Diminution de lépaisseur du faisceau US

lentille  Hanafy 
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FACTEURS DE RESOLUTION SPATIALE

• Résolution en épaisseur saméliore avec
• la focalisation en épaisseur
• la diminution de la taille du transducteur
• Résolution latérale saméliore avec
• la focalisation latérale
• la diminution de la taille du transducteur
• laugmentation de la fréquence (moins de
  divergence)
• Résolution axiale saméliore avec
• la diminution de la longueur du pulse
• laugmentation de la fréquence
• un amortisseur de sonde dont Z est proche de Z
  élément

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RESOLUTION AXIALE

• Dépend de la longueur spatiale du pulse (SPL)

AR ½ SPL ? / 2 . nombre de cycles
résolution axiale en mm
48
RESOLUTION AXIALE

• La longueur du pulse dépend de
• la fréquence de la sonde
• lamortisseur de la sonde

49
3- LES SONDES ULTRSONORES
50
SONDES ULTRASONORES

• Phénomène de piézo-électricité
• les cristaux piézo-électriques contiennent des
  dipôles

BUSHONG FIG 7-2
Repos orientation aléatoire
Courant orientation et dilatation
Polarité inverse orientation inverse et
contraction
51
SONDES US Piézo-électricité
compression du cristal gt ddp
courant positif gt dilatation du cristal
BUSHONG FIG 7-3
courant alternatif gt vibrations sinusoïdales gt
US
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SONDES ULTRASONORES

• Constitution
• ladaptateur
• Z peau lt Z adapt. lt Z céramique
• la lentille acoustique
• lélément piézo-électrique
• céramique,
• cristaux
• lamortisseur

53
SONDES US Barrettes électroniques droites
54
SONDES US Barrettes électroniques courbes
55
SONDES US Endo-rectales
56
SONDES US Intra-vasculaires
57
6- TRAITEMENT DU SIGNAL ET FORMATION DE LIMAGE
58
REPRÉSENTATION DU SIGNAL
Mode A échos sur une ligne imagerie uni-Di et
fixe
Mode TM balayage temporel imagerie uni-Di et
dynamique
Mode B balayage spatial imagerie bi-Di et
dynamique
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REPRÉSENTATION DU SIGNAL
Émission
Réception
60
BALAYAGE DU PLAN sondes mécaniques
transducteur unique oscillant
transducteur unique fixe avec miroir acoustique
oscillant
61
BALAYAGE DU PLAN sondes mécaniques
62
BALAYAGE DU PLAN sondes annulaires
plusieurs cristaux annulaires concentriques focali
sation dans les 3 dimensions
63
BALAYAGE DU PLAN Barrettes électroniques droites

• - le faisceau est formé par une petit nombre
  déléments
• il demeure perpendiculaire à la barrette
• le balayage est électronique, non angulé

64
BALAYAGE DU PLAN Barrettes électroniques courbes
65
BALAYAGE DU PLAN sondes  phased-array 

• - le faisceau est formé par lensemble ou une
  partie des éléments
• le balayage est électronique, angulé / à la
  barrette

66
FORMATION DIMAGE
67
FORMATION DIMAGE

• Le récepteur
• dans la sonde, les éléments qui reçoivent lécho
  sont les mêmes que ceux qui ont transmis le pulse
• lamplitude des échos est beaucoup plus faible
  que celle des pulses émis 1 V à 1 µV
• ses fonctions sont
• la compression
• lamplification
• la démodulation ou rectification
• lenveloppage ou lissage

68
LE RÉCEPTEUR

• Fonction de compression
• la gamme dynamique du récepteur est de lordre de
  120 dB, ie sa sensibilité lui permet de détecter
  des variations damplitude de 1 à 1 000 000
• cependant, le convertisseur et, surtout, lécran
  sont beaucoup moins sensibles, ie limités à une
  gamme dynamique beaucoup plus étroite (30dB)
• une compression logarithmique est donc
  nécessaire, en privilégiant les échos faibles

100-120 dB gt 30 dB
BURNS FIG 6
69
FORMATION DIMAGE

• Le convertisseur numérique-analogique
• restitue les valeurs binaires en signal vidéo
  fait de niveaux de gris
• ici aussi, certains post-traitements sont
  proposés pour moduler le contraste sur limage
  zoom  à lacquisition , renforcement de
  contour, lissage...

70
LE RÉCEPTEUR

• Lamplification
• on lappelle aussi le  gain  (gain à la
  réception)
• elle doit compenser le phénomène datténuation
  avec la profondeur
• time-gain compensation (TGC) ou
• depth-gain compensation (DGC)

JOUVE FIG 1-22
Objectif avoir une image dintensité homogène
en profondeur
71
LE RÉCEPTEUR

• Exemples dapplication de courbes TGC

correcte
incorrectes
72
FORMATION DIMAGE

• Le convertisseur analogique-numérique
• transforme les valeurs damplitude de chaque
  pulse reçu en valeurs binaires
• chaque écho est stocké et mémorisé dans une
  matrice 512x512
• tampon temporel nécessaire entre la
  cadence de retour des échos et la
  dynamique daffichage
• elle stocke les coordonnées spatiales
  de chaque écho en x,y
• ladressage dépend de
• la ligne US recevant lécho (x)
• le temps de retour de lécho (y)

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FORMATION DIMAGE

• Le convertisseur analogique-numérique
• le valeur damplitude de chaque écho convertie en
  valeurs binaires est également stockée dans la
  matrice selon laxe z dont la profondeur dépend
  du nombre de bits
• 6 bits 64 niveaux de gris
• 8 bits 256 niveaux de gris

JOUVE FIG 1-24
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RÉSOLUTION EN CONTRASTE

• Elle se définit par
• laptitude à détecter de faibles différences
  damplitude
• Elle est liée
• à la dynamique ou différence entre amplitudes
  minimale et maximale
• Elle dépend de
• la sonde (amortisseur)
• de la profondeur de la matrice z (bits)
• des pré- et post-traitements

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RÉSOLUTION TEMPORELLE OU DYNAMIQUE

• Elle correspond à la vitesse de balayage du plan
• Elle détermine la cadence image
• Elle est exprimée en Hz
• Elle dépend de
• la largeur du champ
• la profondeur dexploration (qui détermine la
  PRF)
• le nombre de lignes US