Fiche de révision : Imagerie par ultrasons

📋 Plan du Cours

1. Ondes mécaniques et électromagnétiques
2. Propriétés des ondes ultrasonores
3. Célérité et impédance acoustique
4. Intensité des ultrasons
5. Interactions avec les tissus
6. Atténuation et choix de fréquence
7. Production piézoélectrique des ultrasons
8. Conception et types de sondes
9. Détection et résolutions échographiques
10. Compensation du gain en profondeur
11. Modes d’examen échographique
12. Effet Doppler et flux sanguins
13. Échogénicité et artefacts
14. Élastographie et rigidité tissulaire
15. Applications et mesure osseuse

📅 Repères chronologiques

1. 1842Doppler décrit qu’un sifflet de locomotive paraît plus aigu lorsque la locomotive s’approche d’un observateur fixe et plus grave lorsqu’elle s’en éloigne.
2. 1880Les frères Curie découvrent la piézo-électricité.
3. 1917Les ultrasons sont utilisés pour le sonar, leur première utilisation étant militaire et fondée sur leur propagation dans l’eau.
4. 1938Siemens et Reimar Pohlman expérimentent à Berlin l’usage médical des ultrasons pour soigner des sciatiques et des névralgies.
5. 1968Les ultrasons sont utilisés en imagerie, en physiothérapie, pour détruire des calculs vésicaux et pour provoquer des échauffements localisés à visée thérapeutique.

📖 1. Ondes mécaniques et électromagnétiques

★ À maîtriser

📌 Une onde mécanique progressive nécessite un milieu de propagation élastique, tandis qu’une onde électromagnétique peut se propager dans le vide.

• Une onde mécanique progressive transmet une vibration sans transport de matière et provoque une modification temporaire et réversible du milieu.

Compléments

• Dans une onde mécanique, le mouvement du milieu se fait dans la direction de propagation, tandis que dans une onde électromagnétique il lui est perpendiculaire.

💡 Astuce mémo

La mécanique a besoin d’un milieu ; l’électromagnétique se propage aussi dans le vide.

📖 2. Propriétés des ondes ultrasonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde ultrasonore : Onde mécanique progressive périodique, constituée de variations de pression qui se propagent dans un milieu élastique en transportant de l’énergie sans transporter de matière.

★ À maîtriser

• Les ultrasons ont une fréquence supérieure à 20 kHz, seuil correspondant à la limite supérieure de l’audition humaine.

• La fréquence utilisée en imagerie médicale par ultrasons se situe entre 2 et 20 MHz.

Compléments

• Le passage d’une onde ultrasonore entraîne une phase de compression du milieu, suivie d’une décompression appelée raréfaction dans l’air.

📌 La fréquence et la pression sont deux grandeurs distinctes des ondes ultrasonores.

💡 Astuce mémo

Compression puis raréfaction : l’énergie avance, pas la matière.

📖 3. Célérité et impédance acoustique

🔑 Notions clés & Définitions

• Impédance acoustique : Résistance qu’un milieu oppose au passage d’une onde sonore ou ultrasonore.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La longueur d’onde est reliée à la célérité et à la fréquence par $\lambda = \frac{C}{f}$, où C est la célérité et f la fréquence.

📐 Formule - L’impédance acoustique vérifie $Z = \rho C$, où ρ est la masse volumique du milieu et C la célérité de l’onde.

📖 4. Intensité des ultrasons

★ À maîtriser

📐 Formule - L’intensité acoustique est égale au carré de la pression divisé par l’impédance : $I = \frac{P^2}{Z}$.

Compléments

• L’intensité du faisceau ultrasonore est un réglage de la console de l’échographe.

📖 5. Interactions avec les tissus

🔑 Notions clés & Définitions

• Réflexion spéculaire : Se produit sur une interface parfaitement plane et génère un rayon réfléchi et un rayon transmis selon les lois de Snell-Descartes.
• Réflexion diffuse : Se produit sur une interface rugueuse et disperse les ondes réfléchies dans plusieurs directions, dont seule une partie revient vers la sonde.
• Diffusion : Disperse l’onde sur des objets de taille inférieure à la longueur d’onde et contribue à l’image de la structure interne des organes.

★ À maîtriser

📌 La réflexion fournit des informations sur les bords et les interfaces des structures, tandis que la diffusion renseigne sur leur texture interne.

Compléments

• La dissipation thermique des ultrasons augmente avec la viscosité et la fréquence du milieu traversé.

• La dissipation thermique transforme une partie de l’énergie ultrasonore en chaleur et en bruit désordonné non récupérable pour l’image.

💡 Astuce mémo

Réflexion : contours ; diffusion : texture.

📖 6. Atténuation et choix de fréquence

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un milieu et une fréquence donnés, l’intensité après une profondeur x est reliée à l’intensité initiale par $I_x = I_0 \times 10^{-\alpha x/10}$, où α est exprimé en dB/cm.

📌 Une fréquence ultrasonore élevée accroît l’atténuation et favorise l’imagerie des structures superficielles, tandis qu’une fréquence basse pénètre plus profondément.

📌 Plus la différence d’impédance acoustique entre deux tissus est grande, plus la réflexion à leur interface est importante.

• La vitesse moyenne des ultrasons retenue dans le corps humain est de 1 540 m/s.

Compléments

📐 Formule - L’atténuation en décibels vérifie $A_x = 10\log_{10}\left(\frac{I_0}{I_x}\right)$, et le produit αx correspond à l’atténuation Ax en dB.

• À l’interface air-tissu, environ 99,9 % de l’onde est réfléchie, ce qui empêche pratiquement l’exploration au-delà de l’interface.

• La vitesse de propagation des ultrasons est d’environ 5 000 m/s dans l’acier, valeur proche de celle de l’os.

• À 1 MHz, l’atténuation des ultrasons dans l’eau est d’environ 0,002 dB/cm.

• Une intensité passant de $10^{-2}$ à $10^{-4}$ W/cm² après 1 cm de tissu correspond à une atténuation de 20 dB/cm.

• Les os et les milieux contenant de l’air, comme les poumons, atténuent fortement les ultrasons, contrairement aux tissus mous qui les atténuent peu.

📌 Plus la différence de vitesse de propagation entre deux milieux est grande, plus la réfraction est importante.

💡 Astuce mémo

Fréquence élevée → atténuation accrue → faible pénétration.

📖 7. Production piézoélectrique des ultrasons

★ À maîtriser

• Lorsqu’un cristal piézoélectrique est comprimé ou étiré selon certains axes, des charges électriques apparaissent et peuvent produire un courant si le circuit est fermé.

• L’effet piézoélectrique inverse transforme une différence de potentiel en déformation du cristal, qui se dilate ou se contracte selon la polarité imposée. - Gabriel Lippmann

📌 La production des ultrasons repose sur l’effet piézo-électrique inverse, tandis que leur réception repose sur l’effet piézo-électrique direct.

• Lors de la production des ultrasons, une différence de potentiel sinusoïdale fait avancer et reculer la face mobile du cristal à la fréquence appliquée, ce qui met en mouvement le milieu environnant et y propage une onde mécanique.

• Lors de la réception, l’onde ultrasonore exerce des pressions et décompressions successives sur le cristal à la fréquence de l’onde, ce qui crée une différence de potentiel oscillante entre ses faces.

Compléments

• Un courant alternatif appliqué à un matériau piézoélectrique produit des vibrations.

📐 Formule - La tension appliquée pour produire les ultrasons est décrite par $V = V_0\cos(2\pi Ft)$.

💡 Astuce mémo

Pression sur le cristal → courant ; courant alternatif → vibrations.

📖 8. Conception et types de sondes

★ À maîtriser

• Le gel échographique élimine l’air entre la sonde et la peau, car l’impédance acoustique de l’air diffère fortement de celle du cristal et des tissus et entraînerait une importante réflexion des ultrasons.

📌 Une sonde linéaire produit un champ rectangulaire pour l’exploration superficielle à haute fréquence, une sonde convexe un champ courbe en éventail pour l’exploration profonde à basse fréquence, et une sonde sectorielle un champ sectoriel notamment utilisé en échographie cardiaque.

• Les hautes fréquences, supérieures à 5 MHz, sont utilisées pour les explorations superficielles, tandis que les basses fréquences, entre 2 et 5 MHz, sont utilisées pour les explorations profondes.

• La focalisation électronique s’obtient en excitant les éléments piézoélectriques avec des décalages temporels, ce qui permet de déplacer le foyer et d’en modifier la profondeur.

Compléments

📌 La plaque adaptatrice possède une impédance intermédiaire entre celle de l’élément piézoélectrique et celle du corps, tandis que le bloc postérieur absorbant capte des ultrasons inutiles et limite les vibrations parasites.

• Une sonde multi-transducteurs combine les signaux reçus par plusieurs transducteurs, ce qui permet aux transducteurs voisins de compenser un signal mal enregistré par l’un d’eux.

📖 9. Détection et résolutions échographiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Résolution spatiale : Capacité à identifier et séparer des cibles réfléchissantes proches ; elle doit être évaluée dans les trois dimensions de l’espace.

★ À maîtriser

• L’enregistrement d’un écho nécessite : une variation d’impédance acoustique, que le faisceau atteigne l’interface recherchée, une énergie réfléchie suffisante pour revenir à la sonde, une réflexion dirigée vers la sonde, idéalement après une incidence orthogonale

📌 La résolution axiale distingue deux points situés l’un derrière l’autre sur l’axe du faisceau et dépend principalement de la durée de l’impulsion ultrasonore ; c’est la meilleure des trois résolutions.

📌 La résolution latérale distingue deux points situés à la même profondeur et dépend notamment de la largeur du faisceau et de sa focalisation ; elle est meilleure au foyer, où le faisceau est le plus resserré.

Compléments

📌 La résolution en épaisseur, aussi appelée résolution azimutale ou en élévation, est perpendiculaire au plan de coupe, dépend de la focalisation dans cette direction et est la moins bonne des trois résolutions.

📖 10. Compensation du gain en profondeur

★ À maîtriser

• La compensation du gain en profondeur (TGC) applique un gain progressif pour compenser la diminution d’amplitude des échos due à l’atténuation des ultrasons au cours de leur propagation dans les tissus.

Compléments

• L’utilisateur peut ajuster la compensation du gain à différentes profondeurs, car les tissus ne sont pas homogènes.

💡 Astuce mémo

Atténuation en profondeur → gain progressif pour homogénéiser l’image

📖 11. Modes d’examen échographique

🔑 Notions clés & Définitions

• Mode A : Représentation de l’intensité des échos en fonction du temps sous la forme d’un signal unidimensionnel, où les différences d’impédance apparaissent comme des pics.
• Mode B : Codage de l’intensité de chaque écho par la brillance d’un point, dont la position dépend du délai de détection et donc de la profondeur.

• Mode TM : Suivi dans le temps d’une même zone sans déplacer la sonde, avec affichage des signaux selon leur délai d’arrivée et donc leur profondeur.

📝 Points essentiels

• En mode A, un écho reçu plus tardivement correspond à une interface plus profonde.

• En mode B temps réel, les lignes ultrasonores acquises successivement sont juxtaposées pour composer une image bidimensionnelle.

📖 12. Effet Doppler et flux sanguins

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Doppler : Décalage de la fréquence reçue par rapport à la fréquence émise lorsqu’une source et un récepteur sont en mouvement relatif.

★ À maîtriser

• L’effet Doppler permet de mesurer la vitesse du sang en échographie.

📌 Pour les globules rouges, une fréquence reçue supérieure à la fréquence émise indique un rapprochement de la sonde, une fréquence inférieure indique un éloignement et une fréquence égale indique une interface immobile.

• L’encodage couleur Doppler représente les fréquences moyennes des volumes échantillonnés : le rouge indique un flux vers la sonde et le bleu un flux qui s’en éloigne.

Compléments

• Le décalage Doppler de fréquence est proportionnel à la vitesse de la source ou du récepteur.

• Lorsqu’une source sonore s’approche, la compression de l’air augmente la fréquence perçue et rend le son plus aigu ; lorsqu’elle s’éloigne, la dilatation de l’air diminue la fréquence et rend le son plus grave.

• En encodage couleur Doppler, les teintes bleues foncées correspondent à une vitesse lente et les teintes bleues claires à une vitesse rapide.

📖 13. Échogénicité et artefacts

🔑 Notions clés & Définitions

• Échogénicité : S’évalue relativement au parenchyme voisin et ne possède pas de valeur absolue.

★ À maîtriser

📌 Une structure hyperéchogène apparaît blanche ou brillante en raison d’un fort signal de retour, tandis qu’une structure anéchogène apparaît noire car elle ne renvoie pas d’écho vers la sonde.

• Le renforcement postérieur apparaît derrière une cavité contenant un liquide homogène, notamment la vessie ou la vésicule biliaire, car le liquide atténue peu les ultrasons.

• L’ombre acoustique postérieure apparaît derrière une structure dense, comme un calcul ou un os, qui réfléchit fortement les ultrasons et en transmet peu derrière elle.

Compléments

• Une structure échogène présente un aspect gris intermédiaire entre les aspects blanc de l’hyperéchogénicité et noir de l’anéchogénicité.

💡 Astuce mémo

Liquide : renforcement derrière ; structure dense : ombre derrière.

📖 14. Élastographie et rigidité tissulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Élastographie : Évalue la rigidité des tissus à partir de la propagation ou de la récupération des ondes.

★ À maîtriser

📌 En élastographie, une vitesse de propagation ou de récupération des ondes plus élevée indique un tissu plus rigide.

Compléments

• La cartographie couleur en élastographie visualise les différences de rigidité tissulaire ; dans l’exemple thyroïdien du cours, une coloration plus rouge correspond à un tissu plus rigide.

💡 Astuce mémo

Propagation des ondes plus rapide → tissu plus rigide.

📖 15. Applications et mesure osseuse

🔑 Notions clés & Définitions

• REMS : Évalue la densité minérale osseuse à partir de spectres ultrasonores plutôt que d’images échographiques.
• Ostéopénie : Densité minérale osseuse inférieure à la normale mais non pathologique.

★ À maîtriser

• Dans les données présentées, la méthode par rayons X détecte 23,3 % des patients ayant une ostéoporose, contre 58,7 % pour l’échographie.

Compléments

• L’échographie est bien tolérée chez la femme enceinte et peut être privilégiée aux rayons X lorsque les deux examens donnent un résultat similaire.

• L’échographie peut servir à évaluer l’ostéoporose, notamment le statut pré-ostéoporotique, et à explorer le poumon en situation d’urgence.

• La densitométrie par rayons X est l’examen de référence classique pour évaluer la densité minérale osseuse.