Médecine-2a DfgSM2 - 2024/2025 - Bases Physiques des Ultrasons PDF

– CARABINS DE BORDEAUX – MÉDECINE-2A_DFGSM2 – 2024/2025 Enseignant : Pr. S. LAFITTE Date : e-learning Ronéistes :...

– CARABINS DE BORDEAUX – MÉDECINE-2A_DFGSM2 – 2024/2025 Enseignant : Pr. S. LAFITTE Date : e-learning Ronéistes : Horaire : e-learning – Picard Clément ([email protected]) – Tapi Aiata ([email protected]) UE : SYSTÈME CARDIOVASCULAIRE — IMAGERIE VASCULAIRE Bases physiques des ultrasons Les ronéos sont des retranscriptions des cours donnés en amphithéâtre et peuvent être sujets à l’interprétation des ronéistes. La référence reste le cours sur Formatoile. I. GÉNÉRALITÉS................................................................................................................................2 A) Bases physiques des ultrasons.................................................................................................... 2 B) Historique....................................................................................................................................2 C) Applications................................................................................................................................ 3 II. Bases physiques : mécanique des ondes.......................................................................................... 3 A) Description ondulatoire..............................................................................................................3 B) Propagation des ultrasons........................................................................................................... 6 C) Réflexion et transmission des ultrasons......................................................................................8 D) Absorption.................................................................................................................................11 E) Diffraction................................................................................................................................. 12 III. BASES PHYSIQUES : FAISCEAU ULTRASONORE..............................................................12 A) Morphologie.............................................................................................................................12 B) Distribution de l’énergie...........................................................................................................13 IV. BASES PHYSIQUES : piézoélectricité.......................................................................................15 A) Définition..................................................................................................................................15 B) Propriétés.................................................................................................................................. 16 V. MODES ÉCHOGRAPHIQUES.....................................................................................................16 A) Mode A..................................................................................................................................... 16 B) Mode B..................................................................................................................................... 17 C) Mode TM.................................................................................................................................. 18 D) Mode bidimensionnel (2D).......................................................................................................18 VI. CONCLUSION............................................................................................................................ 19 Ceci est la retranscription du cours en e-learning, le diapo posté sur Moodle est différent car le prof a séparé son ancien cours en 2 pour faire 2 nouveaux cours : Bases physiques des US et Échocardiographie. Ceci étant un nouveau cours, il n’y a pas d’annales disponibles. CDBX 2024-2025 © 1/18 I. GÉNÉRALITÉS A) Bases physiques des ultrasons Rappels : Ondes acoustiques : vibrations mécaniques qui se propagent dans un milieu physique comme l’air ou l’eau ou d’autres substances qui peuvent être organiques ou inorganiques. Elles ont absolument besoin de matière pour être transportées. Dans le domaine des sons, 3 types de sons peuvent être décris : les infrasons, puis les sons audibles et enfin les ultrasons en fonction de leur gamme de fréquence. Les ultrasons sont définis pour une fréquence supérieure à 20 000 cycles/seconde (ou 20 000 Hertz) ce qui ne permet pas à l’oreille humaine de les entendre. B) Historique Sur un plan de vue historique, c’est dans les années 1880 que les frères Curie découvrirent l’effet piézo-électrique. A savoir, appliquer sur un quartz une pression, entraîner une polarisation soit une répartition des charges positives et des charges négatives de façon bipolaire. En 1881, c’était le phénomène inverse qui était observé, à savoir le fait d’appliquer un champ électrique ou une dépolarisation électrique amenait à observer une déformation du quartz en question. Dans les années de la Seconde Guerre mondiale, l’application des ultrasons a tiré bénéfice des développements militaires, grâce aux technologies du milieu des sous-marins. C’est en 1942 que Dussik obtient les premières images du cerveau. En 1950, Ballantine décrit la physique des ultrasons et notamment leur atténuation. En 1950, le mode A (French), en 1952, le mode B (Wild). Il faut attendre 1965, pour voir apparaître les premiers tracés en mode TM, et en 1966, le mode Bi-dimensionnel. Concernant le Doppler, on y reviendra, en 1842, c’est Christian Doppler qui décrit son effet. Et en 1980, le Doppler couleur fait son apparition. CDBX 2024-2025 © 2/18 C) Applications En matière d’application, il faut savoir que les ultrasons ne sont pas la seule cible de l’ imagerie comme vous voyez ici. On voit effectivement que les ultrasons peuvent interagir de façon significative avec la matière pour entraîner des lésions, c’est notamment ce qui était visé en scalpel ultrasonore ou en lithotritie transcutanée qui permet la destruction des lithiases. Tout ceci est dépendant de la fréquence d’utilisation des ultrasons. Aux alentours de 100 KHz, les ultrasons amènent la capacité de réaliser des micro-nettoyages. Beaucoup moins abrasif, à partir de 1 MHz, ils seront appliqués pour de la physiothérapie, en kinésiothérapie. Pour rentrer dans le domaine de l’imagerie, entre 1,5 et 10 MHz, voire 30 MHz. Pour atteindre une visualisation des micro-structures, comme vous le voyez là en microscopie acoustique, il faudra atteindre une fréquence entre 500 MHz et 3 GHz. II. BASES PHYSIQUES : MÉCANIQUE DES ONDES A) Description ondulatoire Nous allons rentrer dans le descriptif de la mécanique des ondes, et pour cela nous rappelons ce qu’est une onde. Elle est caractérisée par une variation de pression, en ordonnée, tout au cours une distance (en abscisse). Mais on verra un peu plus tard, une notion de dualité temporo- spatiale, puisque cette variation de pression pourrait être observée également en fonction du temps. CDBX 2024-2025 © 3/18 Cette onde, dont la variation est cyclique, régulière, possède une longueur d’onde, exprimée en distance micrométrique ou nanométrique. Elle est aussi caractérisée par une fréquence (µ) dont l’unité est le Hertz (Hz), définie par le nombre d’oscillations par seconde. La fréquence est donc égale à la célérité de l’onde ultrasonore sur sa longueur d’onde. L’approche précédente est une approche très théorique, avec des variations très isolées de pressions en fonction de la distance ou du temps. La réalité de l’onde ultrasonore est beaucoup plus complexe, avec une multiplication des superpositions des ondes princeps. Ce qui amène un signal beaucoup plus complexe. Notre onde peut aussi être exprimée en terme d’amplitude d’intensité ou de pression (en ordonnée). Cette intensité acoustique mérite d’être décrite de façon un peu particulière L’intensité acoustique possède plusieurs unités : - De façon la plus pure, cette intensité s’exprime en terme de pression acoustique, avec comme unité le Pascal (Pa). Cette intensité acoustique est la pression exercée sur une surface de 1m2. Cette échelle est extrêmement large puisque le rapport seuil audible et douleur est de 1/107, donc très peu maniable en pratique. - C’est pour cela que les scientifiques ont proposé une compression de cette échelle acoustique, ce qui permet de réduire les grandeurs. Cette façon d’exprimer l’intensité acoustique est le Bel (B) ou le Décibel (dB). C’est 10 fois le logarithme de base 10 d’un rapport de 2 grandeurs de niveau sonore par rapport à une référence. Voici la formule : Ce qu’il faut retenir, c’est que l’intensité est multipliée par 10 tous les 20 dB, et que la puissance est multipliée par 100 tous les 20 dB. Vous voyez que l’on aura une échelle beaucoup plus comprimée, beaucoup plus maniable, beaucoup plus compréhensive. CDBX 2024-2025 © 4/18 Pour étayer mes propos, voici quelques correspondances dans le domaine acoustique, sonore, avec l’expression en matière d’intensité acoustique sous forme de Pa et de dB, et les puissances correspondantes : Si on prend le bas de l’échelle, on voit que, au-delà de l’unité d’échelle de normalisation, on a, par exemple, le bruit d’un chuchotement qui est un équivalent de 2x10-4 Pa. Ce chuchotement correspond à 20dB sur l’échelle comprimée. Quand on va monter en terme d’intensité sonore, conversation normale, rue, lieu public, le Pa va être multiplié par 10 très régulièrement, alors qu’il n’y aura une incrémentation que de 20 dB pour chacune des étapes d’intensité acoustique. Au maximum, l’avion à réaction, ou la pression atmosphérique, la fusée, vous voyez qu’on est sur des échelles de 200 Pa alors qu’on est simplement sur des valeurs de 140 dB. Cette échelle en décibel est extrêmement réduite. Où va se situer cette information d’intensité acoustique en échographie ? Les décibels ou cette puissance acoustique, en échographie, vont se retrouver dans la puissance à l’émission, au niveau des gains, et au niveau de la gamme dynamique. Il y aura plusieurs instances, plusieurs interactions qui pourront se faire avec cette notion de décibels couramment exprimés sur les écrans des échographes. B) Propagation des ultrasons Concernant la propagation des ultrasons, il faut savoir que l’état vibratoire, en un point, est fonction de différents éléments qui seront l’élongation, la vitesse vibratoire, la pression ultrasonore (P), la masse spécifique de la matière, et la température absolue du milieu traversé. On comprend bien que la propagation des ultrasons ne peut se faire que s’il existe une interaction entre l’onde ultrasonore et la matière, et qu’en fonction de cette matière et de ces 5 caractéristiques, l’onde ultrasonore interagira et donc se propagera de façon variable. Cette expérience est assez intéressante puisqu’il s’agit d’une gélose qui est capable de représenter les variations de pression au fur et à mesure qu’elle est traversée par une onde ultrasonore. On voit qu’il existe des points brillants qui correspondent aux pics positifs de pression acoustiques, et au contraire des pics négatifs en noir de pression. On comprend qu’au passage de l’onde ultrasonore, il y a véritablement une modification structurelle de la matière avec des pics positifs et des pics négatifs de pression. CDBX 2024-2025 © 5/18 Autre point caractéristique de la propagation des ultrasons, concerne la vitesse de déplacement de cette onde. On ne parle pas véritablement de vitesse mais de célérité. Il faut savoir que la célérité va dépendre des éléments constitutifs de la matière. Elle est égale à 1 sur la racine carré du produit de la masse spécifique au repos de la matière multipliée par son coefficient de compressibilité (Voir formule). L’unité de cette célérité est le m/s. Il faut connaître certains exemples du milieu vivant comme la célérité des ultrasons qui traversent du tissu graisseux (de l’ordre de 1450 m/s), de l’eau à 37°C (1510 m/s), de l’eau à 120°C (1480m/s), du tissu sanguin (1550 m/s), ou du muscle (1650 m/s). On comprend ainsi que dans le milieu biologique, les ultrasons traverseront la matière, ou les différentes matières, à des vitesses ou des célérités différentes. Il est possible d’envisager la question, non plus sous l’angle de l’onde ultrasonore, mais cette fois ci en terme de tissu, ou de milieu traversé par cette onde. En effet, le milieu va interférer de façon significative avec la célérité de cette onde, la vitesse de déplacement de l’onde, et on verra plus tard d’autres caractéristiques. Il a été noté que chaque élément traversé pouvait être décrit en terme d’impédance acoustique caractéristique (Z) qui s’exprime sous forme de dB. Elle est égale au produit de la masse spécifique de la matière multipliée par la célérité. L’impédance acoustique est une mesure de la raideur ou de la résistance qui permet d’appréhender si ce milieu va générer des vitesses rapides ou lentes des ultrasons à leur contact. - En effet, si Z est élevé on peut considérer l’eau, ou d’autres milieux solides, le milieu est considéré comme étant dur, les vitesses d’élongations de la matière sont faibles, et ainsi la célérité de l’onde ultrasonore est élevée. - A l’inverse si Z est faible, comme l’air, il peut être caractérisé comme étant mou, les CDBX 2024-2025 © 6/18 vitesses et élongations de la matières sont élevées, et donc la célérité de l’onde ultrasonore est basse. Voici sur ce tableau les différentes propriétés des tissus : Nous avons pris des tissus biologiques ici comme l’os, le muscle, le foie, l’eau, la graisse mais également l’air, avec leur masse spécifique, leur célérité, et surtout l’impédance acoustique. Nous voyons que pour chacun des tissus, les vitesses, les célérités de l’onde ultrasonore sont différentes, variables, mais nous comprenons que en fonction du produit de ces célérités et des masses spécifiques leur impédance caractéristique sera elle aussi différente. Il y a peu de différences entre les tissus biologiques relativement mous, comme le muscle, le foie, l’eau ou la graisse, puisqu’on a des valeurs entre 1,39 et 1,67. Et vous voyez que pour l’os, on sera déjà à 4,81 d’impédance acoustique. Alors que pour l’air on sera à 0,00034. C) Réflexion et transmission des ultrasons Quelle va être l’incidence de cette impédance acoustique en matière de réflexion et transmission des ultrasons ? Cette réflexion des ultrasons qui est à l’origine de l’image échographique, puisque revenant à la source qui est l’émetteur et le récepteur des ultrasons, donc il faut qu’il y est réflexion. Ces phénomènes de réflexion et de transmission sont liés aux tissus traversés par les ultrasons pour lesquels l’impédance acoustique est différente. Et étant différente, cela caractérise une interface entre les 2 tissus. On voit bien dans ce modèle qu’on a une onde incidente (V1) qui va traverser à une célérité (c1) un tissu d’impédance acoustique (Z1). Puis, l’onde ultrasonore va rentrer au contact d’un tissu ou d’une structure 2 pour lequel la vitesse sera différente parce que l’impédance acoustique est CDBX 2024-2025 © 7/18 différente. Au contact de ce changement de structure, l’interface acoustique va créer des niveaux variables de réflexion et donc de transmission. On parle de coefficient de réflexion (r) qui va donner la quantité d’ultrasons qui sera réfléchie ou transmise. Ce coefficient de réflexion s’exprime sous cette formule là : la différence entre les impédances acoustiques entre les 2 milieux rapportée à la somme des impédances le tout au carré : - De façon pratique, s’il n’existe pas de différence entre les impédances acoustiques, alors r = 0. Cela signifie qu’il n’y a pas de réflexion, les ultrasons continuent leur transmission à hauteur de 100 %. - A l’opposé, si les impédances acoustiques sont extrêmement différentes, en raison du rapport de la différence sur la somme, r se rapproche de 1 et ceci entraînera une réflexion maximale. Dans ce tableau avec les différents composants, on a les tissus mous (muscle, foie, eau, graisse), mais également l’os et l’air : Pourquoi l’os ? Pourquoi à travers les os il n’y a pas d’image échographique (il en est de même avec l’air) ? On a l’explication dans ce tableau, on a les différentes impédances acoustiques et les coefficients de réflexion qui sont affichés au milieu. - Ce qu’on voit d’abord, c’est que lorsqu’on prend une structure avec la même structure, on a donc un coefficient de réflexion qui est à 0 (pas de réflexion des ultrasons en question). - Et à l’opposé lorsque qu’on considère des tissus mous avec des matières d’impédance acoustiques très différentes comme l’os ou l’air, on voit que le coefficient de réflexion est cette fois ci à 1, ce qui signifie qu’il y a une réflexion totale de l’onde ultrasonore. - Et puis entre les 2, entre différents éléments structurels mous, le coefficient de réflexion sera variable. C’est cette variabilité qui permettra un passage des ultrasons mais qui sera accompagné d’un certain degré de réflexion. CDBX 2024-2025 © 8/18  Cette image est une coupe para-sternale petit axe du ventricule gauche. Elle permet d’illustrer mes propos, en se posant tout d’abord la question du noir au sein de la cavité ventriculaire. Pourquoi avons nous du noir ? Le noir c’est l’absence de réflexion et il faut considérer le milieu sanguin comme étant un milieu homogène. Le coefficient de réflexion est à 0, il y a donc transmission des ultrasons à travers le milieu liquidien, au sein de la cavité ventriculaire. D’où l’absence de signal ultrasonore Et puis nous avons certaines structures, notamment le septum qui va nous donner un signal de réflexion qui n’est pas maximal. C’est un signal de réflexion intermédiaire qui signera une réflexion partielle avec la transmission des ultrasons au travers du septum. Pourquoi l’hétérogénéité au sein de la matière, et notamment du myocarde, avec des signaux qui seront proches du gris clair, et d’autres proches du blanc, alors que nous estimons que la matière ici le muscle myocarde est relativement homogène ? Cette information démontre le contraire, le myocarde n’est pas homogène, en tout cas pas homogène dans sa globalité, pas suffisamment pour posséder un seul coefficient de réflexion. Au niveau microscopique, puisque les ultrasons vont interagir de façon microscopique avec la matière, les différentes caractéristiques du myocarde, à ce niveau là, vont faire que les coefficients de réflexion seront variables entre les éléments mêmes de la matière myocardique. Un autre élément important, c’est l’incidence de l’orientation du faisceau. CDBX 2024-2025 © 9/18 Nous avons évoqués tout à l’heure, la transmission d’un faisceau ultrasonore perpendiculaire à l’interface acoustique entre 2 milieux traversés. Cette hypothèse est rarement vérifiée, et dans la majorité des cas, il existe un certain degré d’obliquité entre le faisceau ultrasonore et la matière traversée. Quand cette obliquité arrive il faut savoir que le faisceau réfléchi aura un angle égal au faisceau émis par rapport à l’orthogonalité. Il existe une variation de l’angle du faisceau transmis en fonction de l’interface acoustique et de la vitesse de propagation à travers le milieu. Ce qui complexifie la donne en matière de faisceaux traversés. Dans cet exemple, nous retrouvons cette notion de variation du signal et de l’intensité réfléchie et transmise en fonction de l’obliquité par rapport à l’onde incidente. C’est représenté clairement ici avec la valve mitrale. - Le feuillet antérieur présente un niveau d’échogénicité assez important (pixels d’ordre blancs). - Alors que sur le feuillet postérieur, on est plutôt vers le gris. Il existe donc une différence très nette en matière de réflexion transmission réflexion des ultrasons qui amènent à cette variation de rendu alors qu’il s’agit de la même entité biologique de tissu conjonctif. Vous voyez que ces notions d’orthogonalité d’une part, d’obliquité des ultrasons par rapport à la matière, amènent à des signaux qui peuvent être variables pour une même qualité de structure. D) Absorption L’autre point concernant la propagation des ultrasons, ou la mécanique des ondes, est le phénomène d’absorption. C’est un phénomène inhérent au déplacement d’une onde dans la matière, sa perte d’énergie (cela est notamment vrai pour les ultrasons qui interagissent de façon très significatives avec la matière) amènera à un certain degré d’absorption de cette dernière par les tissus. C’est important de l’avoir en tête pour ne pas oublier la notion d’échauffement potentiel des tissus au travers du passage des ultrasons. Il y a une interaction entre les tissus fœtaux et les ultrasons c’est pourquoi nous recommandons de modérer l’utilisation des ultrasons de forte énergie notamment dans ces applications sur le fœtus. CDBX 2024-2025 © 10/18 Cette absorption se fait en fonction de la distance parcouru et de l’énergie ou de l’intensité de l’onde ultrasonore incidente. Cela se traduit par cette formule où l’on a l’intensité à un point donné qui est égale à l’intensité initiale multipliée par l’exponentielle de 2 fois un facteur alpha d’absorption multiplié par la distance. On comprend bien que cette absorption va dépendre des tissus, de l’interaction avec ces derniers, et de la profondeur à laquelle ces ultrasons parcourent ou sont à un moment donné. On comprend bien pourquoi il sera plus difficile de visualiser des structures à distance de l’émission des ultrasons au-delà de 15 cm. L’énergie perdue par les ultrasons est tellement importante que ces derniers n’amènent plus d’informations cohérentes. E) Diffraction Le dernier phénomène concernant la mécanique des ondes et dans leur interaction avec la matière, est le phénomène de diffraction. C’est un phénomène qui peut être défini comme la direction ultrasonore de direction diffuse au contact d’un élément dont le diamètre est inférieur ou égal à la longueur d’onde de l’onde émise. Il s’agit d’une interaction microscopique avec des éléments d’une extrême petite taille et qui vont amener à une non cohérence en matière de réflexion, de transmission des ultrasons. Non cohérence comme les phénomènes précédemment décrits. On parlera notamment de cette diffraction qui se fera sur des éléments rugueux (comme vous le voyez ici) et pour lesquels on aura une diffusion tout azimut de l’onde ultrasonore on le voit sur les différents exemples : CDBX 2024-2025 © 11/18 III. BASES PHYSIQUES : FAISCEAU ULTRASONORE A) Morphologie Nous changeons de domaine, quittons la microscopie et les interactions du faisceau ultrasonore avec la matière, pour rentrer dans un monde un peu plus macroscopique qui est celui de la morphologie du faisceau ultrasonore. Quand on parle de macroscopique, on a un piézo-électrique (on le verra plus tard) de forme discale, qu’on peut considérer de 1/2 cm². On se projette et on projette la morphologie du faisceau ultrasonore en sortie de cet élément piézo-électrique. Vous voyez que cette morphologie du faisceau ultrasonore n’a rien à voir avec un faisceau laser. La morphologie cylindrique du laser peut être considérée comme étant parfaitement homogène à l’infini. Ici, on s’aperçoit qu’il existe 2 zones : - Une zone de champs proximal - Une zone de champs distal Au delà de la zone de transition, il y a une diffraction, une divergence, des ultrasons sous forme d’un cône à l’opposé du champs proximal, où on a l’évolution du faisceau ultrasonore sous la forme d’un cylindre. Donc il y a 2 champs (proximal et distal) et une hétérogénéité dans le format, dans la morphologie de ce faisceau ultrasonore entre les 2 zones. B) Distribution de l’énergie Quelle sera la conséquence de cette divergence du faisceau ultrasonore ? CDBX 2024-2025 © 12/18 Vous avez la conséquence représentée ici, on s’imagine en champs distal de faisceau ultrasonore avec des divergences variables : On considère un point B qui serait dans la divergence du faisceau ultrasonore comparativement au point A qui est dans l’axe central du faisceau ultrasonore non divergent. On comprend bien qu’en raison de cette divergence, le point B va être « excité », ce qui amènera à une réflexion au sein du capteur, et à la traduction, en terme de signal réceptionné, d’un signal équivalent au point A qui lui se trouve dans le faisceau. En d’autres termes, les points B et A seront confondus au niveau de l’image, ce qui amène à une perte de résolution spatiale de façon significative. On présente également cet exemple où le point C n’a pas d’équivalent dans le champs proximal d’un faisceau ultrasonore. En raison d’une divergence appuyée, le point C va tomber en excitation de part la traversée du faisceau ultrasonore. Ce qui amènera à sa représentation au centre de l’image échographique. On comprend bien une difficulté de ce faisceau ultrasonore et de cette notion de divergence qui est relativement délétère en matière de résolution d’image mais également en matière de genèse des artefacts comme on peut l’imaginer ici avec le point C qui se retrouve dans l’image. Voici une autre façon de représenter cette divergence du faisceau ultrasonore. Elle consiste à étudier son énergie. On s’aperçoit qu’on retrouve des lobes énergétiques de façon très importante tout en périphérie du faisceau ultrasonore, générant, encore une fois, des signaux ultrasonores artefactuels au sein de l’imagerie princeps. CDBX 2024-2025 © 13/18 Cette image d’une apicale des 2 ou 4 cavités représente le résumé de l’ensemble des interactions entre la matière et les ultrasons. Cette image échographique brille par son aspect hétérogène puisque, ici, c’est ce qu’il faut regarder. C’est qu’au sein d’une paroi myocardique qui est sensé être homogène, il existe différents niveaux d’intensité, de transmission et réflexion des ultrasons, avec comme vous le voyez des zones noires, des zones grises, grises claires, voire beaucoup plus brillante, sans qu’il y est de différences majeures, constitutionnelles, de tissus. Cette hétérogénéité prend source dans l’ensemble des éléments que nous venons de décrire et prend le terme de « Speckle » ou « moucheté » échographique qui caractérise cette modalité d’imagerie. Quelque chose qui peut être jugé comme une limite, puisque une structure ne pourra pas être caractérisée en matière d’intensité acoustique. La caractérisation tissulaire par échographie ne peut fonctionner correctement. Mais depuis quelques années cette imagerie sous forme de Speckle a été exploitée en terme d’exploration de zones, déplacement de zones, pour obtenir des informations de contraction myocardique. On appelle cette technique : la technique de déformation, technique de strain. Le Speckle, à la base, c’est plutôt quelque chose de gênant en matière d’interprétation et de caractérisation tissulaire. Mais c’est quelque chose qui aujourd’hui nous aide énormément pour quantifier la contraction myocardique, notamment sur les techniques de déformations. IV. BASES PHYSIQUES : PIÉZOÉLECTRICITÉ A) Définition Nous changeons de domaine dans ces bases physiques pour parler de l’effet piézo-électrique. L’effet piézo-électrique c’est la capacité naturelle d’un quartz à entrer en vibration mécanique sous l’effet d’un courant électrique qui lui est appliqué et réciproquement. CDBX 2024-2025 © 14/18 Donc vous avez les schémas : - D’un système non polarisé de quartz, à la base en tout cas du phénomène (schéma de gauche) - Sur lequel est appliqué une pression qui entraîne une déformation de la structure du quartz , et la dépolarisation avec la création d’un champs électrique au niveau de cette structure, qui devient donc bipolaire (schéma du milieu). - De façon similaire quand on applique un courant électrique, un champs électrique sur ce système quartzien et bien ce dernier va se déformer de façon vibratoire et créer l’émission de cette onde ultrasonore (schéma de droite). B) Propriétés Les propriétés de la piézo-électricité : - C’est une phénomène réversible, il est temporaire, inconstant dans le temps. - Il utilise principalement des cristaux naturels (quartz, tourmaline, sel de Rochelle). - De façon plus contemporaines sont appliqués des cristaux de synthèse (titanate de baryum (principalement), sulfate de lithium, zirconiate de plomb, métaniobate de plomb). - Cela nécessite un traitement bien spécifique de la matière de la matière de ces cristaux, avec des phénomènes de cuisson (1500°C), de découpe en disques, de polarisation, ou de refroidissement dans un champ électrique pour aligner les molécules. C’est un travail assez spécifique, assez fin, qui demande un grand degré de fragilité au système utilisé. Le cristal est taillé pour vibrer en mode axial ou transversal. Il possède une fréquence dominante et une bande de fréquence utile autour de cette fréquence dominante. Il peut émettre en mode pulsé ou continu en fonction du courant électrique qui lui sera apposé. CDBX 2024-2025 © 15/18 V. MODES ÉCHOGRAPHIQUES A) Mode A Concernant les modes échographiques, le premier mode utilisé historiquement était le mode A (pour amplitude). - Avec une émission / réception d’un spectre ultrasonores - Un compteur temporel - Et une mesure d’intensité de déflexion C’est ce qui est représenté ici sur ce modèle, avec un système quartzien qui génère une onde ultrasonore qui va traverser un bac. Au contact de la zone distale du bac, il y aura la réflexion de l’onde ultrasonore qui va revenir frapper et mettre en vibration le quartz, générant un courant et une déviation électrique. Ceci est représenté ici avec une onde émise et la réflexion du signal et on peut donc calculer, en fonction de la vitesse de déplacement dans le milieu liquidien de l’onde ultrasonore, connaissant la vitesse, la distance entre le capteur et la zone de réflexion. On attend également que plus l’intensité de réflexion est importante, plus on enregistre une déviation axiale importante sur le système oscilloscope. Quand on prend une représentation d’un mode A à travers le massif cardiaque on aura ceci : Avec des amplitudes variables en fonction des interfaces et de l’intensité de réflexion à des profondeurs différentes. Ce mode est totalement inexploitable en matière d’imagerie médicale. B) Mode B Le mode B pour brillance présente une conformation relativement similaire au mode A : Avec une émission / réception d’un spectre ultrasonores Un compteur temporel Cette fois ci, l’amplitude, cette mesure d’intensité par un niveau de gris, et non pas par une oscillation sur un oscilloscope. CDBX 2024-2025 © 16/18 On aura une information de distance et une intensité réfléchie (idem que pour le mode A). Voici le passage du codage d’informations entre le mode A et le mode B : Des amplitudes pour le mode A Des points plus ou moins brillants pour le mode B Le mode B nous ouvre les portes d’un mode couramment utilisé que nous allons voir maintenant. C) Mode TM C’est le mode TM (temps-mouvement), où il s’agit tout simplement d’une ligne B dont sera effectué le défilement dans le temps. Quand on juxtapose ces différentes lignes B en fonction du temps, et bien ça donne le mode TM comme représenté ici. Le mode TM n’a peu ou pas d’applicatifs en échographie sur tissus statiques, notamment en radiologie. A l’opposé, il sera fondamentale en échographie puisqu’il va nous donner l’information de mouvement au cours du temps avec les différentes circonvolutions cardiaques, avec la contraction, la relaxation, les mouvements de la valve mitrale qui ont été les premiers éléments d’imagerie permettant la description de la dynamique de la valve mitrale par exemple. CDBX 2024-2025 © 17/18 D) Mode bidimensionnel (2D) Pour en arriver finalement au mode bidimensionnel (2D) , qui est un balayage spatial par une ligne B. C’est un balayage continu qui permet de créer une image dynamique. Le mode bidimensionnel, c’est une ligne B que l’on va déplacer très rapidement sur l’espace, dans un espace donné afin de reconstruire l’image comme vous l’avez ici représentée. VI. CONCLUSION En conclusion de cette première partie, vous avez bien compris que les ultrasons étaient des signaux qui possédaient des caractéristiques particulièrement spécifiques. Elles sont importantes à connaître pour bien intégrer un certain nombre de limite dans leurs utilisations. C’est par leur exploitation que nous obtiendrons une image échographique à travers un capteur et un échographe. Il ne faut pas oublier l’importance des interactions avec la matière. Il ne faut pas penser que les ultrasons sont complètement anodins, d’une innocuité totale, dans leur utilisation. Les ultrasons interagissent avec la matière et peuvent amener à des échauffements. Ces échauffements doivent être considérés comme tels. Donc on n’utilisera pas de façon totalement gratuite les ultrasons, il faudra réfléchir la situation. Je demande donc une prudence certaine dans l’utilisation des ultrasons chez le fœtus, puisque pour de fortes intensités, notamment en Doppler couleur, il peut y avoir une interaction qui peut être préjudiciable. Il faut bien faire attention et intégrer ces éléments là. CDBX 2024-2025 © 18/18