Cours Ultrasons Dentale PDF

Soins de l’organe dentaire La carie dentaire  ALLIAGES PRECIEUX Applications cliniques – Type I – Type II – Type III – Type IV  ALLIAGES NON PRECIEUX Ni-Cr & Co- Cr Applications cliniques – Prothèse conjointe – Prothèse adjointe – Orthodontie...

Soins de l’organe dentaire La carie dentaire  ALLIAGES PRECIEUX Applications cliniques – Type I – Type II – Type III – Type IV  ALLIAGES NON PRECIEUX Ni-Cr & Co- Cr Applications cliniques – Prothèse conjointe – Prothèse adjointe – Orthodontie – Implantologie orthopédique  ALLIAGES NON PRECIEUX A BASE TITANE Applications cliniques : – Implantologie++ – Prothèse adjointe – Orthodontie – Odontologie conservatrice – Parodontologie – Prothèse conjointe BASES PHYSIQUES DES ULTRASONS Pr.EL BOUSSIRI Khalid Responsable du Groupe de recherche ( Biomatériaux métalliques) Au sein de la Faculté de Médecine dentaire de l‘Université Hassan II  Points essentiels L’onde sonore; La nature de l’onde sonore; La vitesse du son; Le niveau de puissance acoustique; Le coefficient d’atténuation; Réflexion d’une onde sonore; Échographie -Phénomène physique -Phénomène subjectif: sensation qu’en donne l’oreille Les sons sont classés en fonction de la vitesse de propagation des vibrations dans le milieu et de la détection possible par l’oreille  GENERALITES SUR LES PHENOMENES PERIODIQUES  L’onde sonore Les ondes sonores sont des ondes mécaniques longitudinales caractérisées par des fluctuations de densité et de pression. Mouvement périodique créant des ondes de pression Mouvement périodique créant des ondes de pression Paramètres de propagation de l’onde sonore Fréquence = f = Vitesse = λ f Longueur d’onde λ haute pression faible pression  Paramètres de propagation de l’onde sonore Fréquence = f = 1/T Longueur d’onde λ haute pression faible pression Les particules du milieu étudié sont animées d’un mvt de va et vient ds l’axe de déplacement de l’onde ultrasonore : Analogie  Nature de l’onde sonore Molécules compression dépression En observant la forme sinusoïdale de la Onde figure ci-contre, et en se basant sur le modèle sonore de l’onde progressive, on peut définir une onde sonore de propagation. dépression compression Variation de pression temps  Domaine de l’onde sonore L’oreille humaine perçoit les ondes sonores pour les fréquences f comprises entre Infrasons f < 20 Hz 20 Hz (son grave) et 20000 Sons audibles 20 Hz < f < 20 kHz Hz (son aigu). Cependant , le domaine du son est beaucoup Ultrasons 20 kHz < f < 20 MHz plus étendu: les vibrations sismiques, certaines machines, des hauts-parleurs de basses fréquences, émettent des fréquences en dessous de 20 Hz: ce sont les infrasons. À l’autre extrémité, on retrouve les ultrasons.  Vitesse de propagation Substance Température °C Vitesse m/s Gaz Gaz carbonique 0 259 Oxygène 0 316 Air 0 331 Air 20 343 Hélium 0 965 Liquide Chloroforme 20 1004 Éthanol 20 1162 Mercure 20 1450 eau 20 1482 Solide Plomb - 1960 Cuivre - 5010 Verre - 5640 acier - 5980  Application médicale Milieu Vitesse (ms) air 330 eau 1480 Tissus mous 1540 os 4080 Pour une sonde émettant à 7,5 MHz dans des tissus mous, la longueur d'onde peut être facilement calculée : Longueur d’onde = Vitesse/Fréquence λ = 1540 / 7 500 000 = 0,2 mm La fréquence de la sonde a un effet direct sur la résolution de l'image échographique.  Propriétés de propagation des ultrasons Vitesse de l’onde sonore dans les « tissus mous » est pratiquement constante = 1500 m/ s. Vitesse du son dans les os et dans l’air diffère grandement de la vitesse dans les tissus mous. Vitesse = Fréquence x Longueur d’onde “Ultra”son implique f > 20 kHz Longueur d’onde = Vitesse/Fréquence Longueur d’onde < 1,5 mm  Intensité de l’onde sonore L’oreille humaine est sensible à des intensités sonores allant de 10-12 W/m2 à 1 W/m2, soit un rapport de 1 à 1 000 000 000 000. Pour ramener cette large échelle d’intensités à une échelle plus réduite qui exprime mieux la sensibilité de nos oreilles aux variations de niveau sonore, on a adopté la notation logarithmique et créé le décibel (dB). Où I est l’intensité mesurée et I0 est une valeur de référence. Si l’on prend I0 égal à 10-12 W/m2 , le seuil d’audibilité correspond à β = 0 dB. - Une valeur négative (par exemple -12 dBu) signifie que la valeur absolue correspondante est inférieure à la valeur absolue de réf. - une valeur nulle (par exemple 0 dBu) signifie que la valeur absolue correspondante est égale à la valeur absolue de référence, - une valeur positive (par exemple +6 dBu) signifie que la valeur absolue correspondante est supérieure à la valeur absolue de réf. Remarque : le décibel ne fait pas partie du Système International des unités (SI en français). Interaction des ondes avec la matière : ▪ Atténuation ▪ Réfraction / réflexion ▪ Diffusion  Atténuation Itransmise = I(l) = Ioexp (-μl) 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. l = distance à la source, I0 = intensité initiale , μ = coefficient linéaire d’atténuation dépendant de la fréquence L’intensité ultrasonore décroit plus rapidement dans les premiers centimètres qu’en profondeur.  Formation de l’image Atténuation La fréquence des ultrasons a une influence déterminante sur les possibilités d'exploration : Fréquence des Profondeur ultrasons 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  Le coefficient d’atténuation L’amplitude d’oscillation des ondes sonores décroît avec la distance. Il en résulte une atténuation évidente des ondes à mesure qu’elles traversent les substances. L’intensité I d’une onde varie selon une loi exponentielle: où x est la distance en mètre traversée par un son ou un ultrason dans une substance, I0 est l’intensité initiale, en watt par m2, µ est le coefficient d’atténuation de la substance traversée, en m–1.  Exemple Un ultrason traverse un muscle sur une longueur de 4,0 cm. Si le coefficient d’atténuation des ultrasons dans un muscle vaut 3,3 cm –1, calculez l’intensité relative des ultrasons qui ont traversé cette distance dans le muscle. Sachant que I = I0 e –µ x, on a I/I0 = e–(3,3)(4,0) = 1,85 x 10 –6 D’où IR = 10 log(I/I0) = 10 log (1,85 x 10 –6) = 10(–5,73) ou IR = – 57,3 dB. Sachant que I = I 0 e –µ x, on a I/I0 = e–(3,3)(4,0) = 1,85 x 10 –6 D’où IR = 10 log(I/I0) = 10 log (1,85 x 10 –6) = 10(–5,73) ou I R = – 57,3 dB. Onde incidente Onde réfléchie Onde transmise R = coefficient de réflexion R = [(Z1 - Z2)/(Z1 + Z2)] 2 L'impédance acoustique traduit la « résistance » d'un matériau au passage du son, de manière tout à fait analogue à l'impédance électrique. On va admettre qu'elle caractérise un milieu, mais en fait sa valeur peut dépendre de nombreux paramètres (gradients de température, de densité...). Z = impédance acoustique Z=ρv où Z: impédance acoustique du milieu, en kg/(m2s) ou rayl ρ: masse volumique (densité) du milieu, en kg/m 3 v: vitesse de l’ultrason dans ce milieu (m/s) 1 T =1- R R Z 1 = ρ 1 v1 Z 2 = ρ 2 v2  Onde incidente Onde réfléchie Onde transmise ( Ir Z2 − Z1 ) 2 R= = It 4 Z1 Z2 T= = I (Z +Z ) 2 Ii ( Z2 + Z 1) 2 i 2 1 R = coefficient de réflexion, Ii = intensité incidente, Ir = intensité réfléchie, Z1 = impédance du milieu 1, Z2 = impédance du milieu 2. T = coefficient de transmission Tableau d’impédance z (en kg/(m s) ou rayl) 2 air 4 x 10–10 aluminium 1,7 x 10-5 cerveau 1,58 x 10–6 eau 1,48 x 10–6 graisse 1,38 x 10–6 muscle 1,70 x 10–6 os 7,80 x 10–6 peau 1,62 x 10–6 sang 1,61 x 10–6 tissus mou 1,63 x 10–6 Réflexion: graisse/peau Z graisse = 1.38 Z peau = 1.62 1 ,994 ,0064  Réflexion: graisse/peau Z graisse = 1.38 Z peau = 1.62 1 ,994 ,0064 (Z2 − Z1 2 R= = Ir It 4 Z1 Z2 ( Ii Z2 + Z1 ) ) 2 T= Ii = ( Z2 + Z 1) 2  Exemple Un ultrason se propageant dans la graisse rencontre la paroi d’un os. Quelle sera l’amplitude de l’onde réfléchie par cette paroi si l’amplitude de l’onde incidente est de 5 milliwatts par centimètre carré? Calcul du coefficient de réflexion Ce coefficient est le rapport entre les amplitudes réfléchie et incidente de l’onde: R = AR / AI donc: AR=RAI = (0,489)( 0,005 W) = 0,00245 W ou 2,45 milliwatts.  Réflexion: air/peau Z air = 0,0004 Z peau= 1,62 1.001.999 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 dont l’impédance acoustique est voisine de celle de l’épiderme  Propriétés de réflexion des ultrasons L’énergie acoustique est réfléchie à l’intersection de tissus possédant des impédances acoustiques différentes (Z). Impédance acoustique = produit de la vitesse du son (v) et de la densité (ρ). L’unité de l’impédance acoustique en “Rayl.” Plus la différence des impédances (Z) est grande, plus l’amplitude de l’onde réfléchie sera importante.  Principe de fonctionnement de la sonde Le 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.  Principe de fonctionnement de la sonde L’effet piézoélectrique La piézoélectricité (du grec πιέζειν, piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse. 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. Les transducteurs contenus dans les sondes d'échographie sont généralement des céramiques de Plomb Zirconate de Titane (PZT).  Principe de fonctionnement de la sonde L’effet piézoélectrique (suite) -- + + - + -- + + En appliquant un courant alternatif sur un cristal piézoélectrique, le cristal se comprime et se décomprime alternativement et émet un son dont la fréquence dépend des caractéristiques du cristal. Le même élément est utilisé pour transformer en courant électrique les ultrasons qui reviennent vers la sonde après avoir été réfléchis.  Principe de fonctionnement de la sonde L’effet piézoélectrique (suite) émetteur récepteur La sonde n'émet donc pas des ultrasons en continu, mais en salve. Pendant le reste de temps, la sonde est "à l'écoute" pour capter les ultrasons. La durée des salves est très courte, de l'ordre de quelques microsecondes, et correspond à l'émission de 3 cycles environ en moyenne. 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.  APPLICATION MEDICALE Echographie et Ultra sons Le Doppler L'effet Doppler, ou effet Doppler-Fizeau, désigne le décalage de fréquence d’une onde (mécanique, acoustique, électromagnétique ) observé entre les mesures à l'émission et à la réception, lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Si on désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d'effet Doppler, le terme d'« effet Doppler- Fizeau » est réservé aux ondes électromagnétiques.  Effet Doppler Source stationnaire Source en mouvement Diminution de la longueur d’onde Augmentation de la fréquence Simulation  Principe de l’effet doppler La vélocimétrie par effet doppler est fondée sur la variation de fréquence que subit un faisceau ultrasonore lorsqu’il est rétrodiffusé par des cibles en mouvement. Δf = F réception – F émission La différence de fréquence (ΔF) est positive si la cible se rapproche de la source. (Fr > Fe) La différence de fréquence (ΔF) est négative si la cible s’éloigne de la source. (Fe > Fr) En pratique médicale, ΔF est comprise entre 50 Hz et 20 KHz. Il s’agit donc d’une fréquence audible.  Angle doppler θ V = l’angle qui existe entre le faisceau ultrasonore et l’axe de déplacement de la cible. Δf = 2 Vfe cos θ /C V = vitesse de la cible C = célérité des ultrasons (1540 m/s) fe = fréquence d’émission θ = angle entre le faisceau ultrasonore et l’axe des particules  Effet Doppler Δf c V= 2 f e cos θ θ V Il faut être tangent au grand axe du vaisseau. f = fréquence de l’onde émise (cos 90° = 0) v = vitesse de la cible c = vitesse de l’onde sonore dans le milieu θ = angle entre la ligne de “visée” et la direction du mouvement. Échographie par effet Doppler (suite) Les ovaires La vessie  Dg de grossesse Echographie Datation de la grossesse Recherche de obstétricale malformation Position du placenta Echographie mammaire Echographie ostéo articulaire Rupture partielle d’un tendon extenseur La thyroide Echographie cardiaque Echographie trans oesophagienne Cavité s Valves Doppl er  FIN Merci de votre attention