Bases physiques des US Flashcards
Caractéristiques des ultrasons ?
- Les ultrasons sont des ondes acoustiques
- Les ondes acoustiques sont des ondes mécaniques
Principale différence entre les ondes mécaniques et électromagnétiques ?
Contrairement aux ondes électro-magnétiques, les ondes mécaniques ne se propagent que dans un milieu matériel
Formation d’une onde mécanique ?
- Apparaît lorsque les molécules du milieu reçoivent de l’énergie et sont amenées à se déplacer autour de leur position d’équilibre
- Le mouvement répercute de proche en proche. Ce mouvement ordonné constitue l’onde mécanique
Qu’est-ce que la périodicité ?
Succession de compressions et raréfactions des particules du milieu traversé qui se transmet de proche en proche
Fréquence des ultrasons ?
1 MHz - 100 MHz
A quoi correspond 1 Hz ?
A un cycle de vibration par seconde
Différence entre les sons audibles et les ultrasons ?
Ils sont de même nature physique, seule la fréquence permet de les différencier
Longueur d’onde ?
- λ => en m
- Distance séparant deux points du milieu dans le même état vibratoire
- λ = CT = C/f
Fréquence de l’onde ?
- f => en Hertz
- Nombre d’oscillations par seconde
- Correspond à l’inverse de la période :
1/T
Vitesse de propagation de l’onde ?
Célérité : c ou C => m/s
Période d’une onde ?
- T
- Durée entre 2 maxima/minima
- T = 1/f
Caractéristiques de la vitesse de propagation de l’onde ?
=> Célérité
– Dépend étroitement de la nature du milieu
– La propagation se transmet de proche en proche sans transfert de matière mais avec transport d’énergie
– Varie avec le milieu, mais pas avec la fréquence
Qu’est-ce que l’impédance acoustique ?
=> Z en Pa/s/m ou en Rayleigh
* Représente la résistance du milieu à la propagation de l’onde
* = ρ x c (ρ = masse volumique du milieu)
Caractéristique de l’impédance acoustique ?
– Caractéristique du milieu
– Plus l’impédance est grande, plus la célérité de l’onde est grande
Qu’est-ce qu’une interface acoustique ?
La séparation entre 2 milieux d’impédances différentes
Valeur moyenne de la célérité dans les tissus mous utilisé en imagerie US ?
1500 m/s
Quelles sont les possibles réactions d’une onde US après interaction avec la matière ?
Elle peut être partiellement :
* transmise
* réfléchie
* réfractée
* diffusée
De quoi sont responsables les phénomènes des US après interaction avec la matière ?
Ils sont responsables d’une atténuation avec diminution de l’intensité incidente au fur et à mesure de la propagation dans le milieu
Parmi les caractéristiques de l’onde lesquels sont modifiées ?
La célérité change => La longueur d’onde change
/!\ PAS DE MODIFICATION DE LA FREQUENCE DE L’ONDE /!\
Caractéristique de l’incidence lors d’échographies ?
Travail en incidence normale
De quoi dépendent le coefficient de réflexion et le coefficient de transmission ?
Uniquement de l’impédance acoustique
Relation entre la réflexion d’une onde et la différence d’impédance acoustique des milieux ?
Plus ∆Z = Z2 - Z1 est grande, plus l’énergie réfléchie est importante
Transmission et réflexion de l’onde lorsque : Z1 ≈ Z2 ?
- R proche 0
- T proche 1
- Pas de réflexion, tt est transmis
- Interface transparente aux US
=> Difficile de distinguer les 2 milieux
Transmission et réflexion d’une onde lorsque : Z1 «_space;Z2 ?
- R proche 1
- T proche 0
- Faisceau incidente est réfléchie
- L’interface est impénétrable
=> On distingue les 2 milieux - Inconvénient : observation d’un milieu Z3 est impossible
Transmission et réflexion d’une onde lorsque : Z1 «_space;Z2 ?
- R proche 1
- T proche 0
- Faisceau incidente est réfléchie
- L’interface est impénétrable
=> On distingue les 2 milieux - Inconvénient : observation d’un milieu Z3 est impossible
Caractéristiques d’une interface tissu mou / tissus mou ?
- Proportion d’énergie réfléchie faible (<1%)
- Exploration possible en profondeur en arrière de l’interface
- Imagerie US : bien adaptée aux tissus mous
Caractéristiques de l’interface tissus mou/os ?
- Réflexion de l’onde incidente importante (30 à 50 %)
- OS = obstacle, ne peut être correctement analysé
Caractéristiques de l’interface tissu mou/air ?
- Réflexion quasiment totale (99,9 %)
- air, poumon, tube digestif = écran pour la transmission des US
- Utilisation d’un gel hydrophile (≈ à un tissu mou) entre la sonde et la peau pour éviter l’interposition d’air
Qu’est-ce que le phénomène de diffusion ?
Lorsque l’interface est de petite taille par rapport à la longueur d’onde, l’énergie de l’onde ultrasonore est diffusée dans de multiples directions de l’espace
Caractéristiques de la diffusion ?
- La diffusion est à l’origine de l’image échographique des parenchymes
- L’intensité diffusée est en général plus faible que l’intensité réfléchie
Exemple de cibles diffusantes ?
Petites hétérogénéités des tissus, ilôts cellulaires
A quoi correspond le phénomène d’absorption ?
L’onde ultrasonore, en se propageant cède une partie de son énergie au milieu
=> Il y a absorption de l’énergie et l’intensité du faisceau diminue
Caractéristiques du phénomène d’absorption ?
- Liée essentiellement à des mécanismes de
conduction thermique et de viscosité - Peut se définir comme : conversion de l’énergie acoustique en chaleur
- Mécanismes étroitement dépendant de la fréquence :
- Fréquences élevées => très nombreuses vibrations favorisant le transfert d’énergie
- Obéit à une loi exponentielle décroissante
Comment la profondeur de la cible influe sur la phénomène d’absorption ?
Influence de la profondeur +++
=> I = I0 exp(-αx)
De quoi dépend l’atténuation des US ?
ล Consécutive aux réflexions qui surviennent à chaque interface, à la diffusion et surtout à l’absorption
ล Augmente avec la distance parcourue dans le milieu et donc la profondeur d’exploration
ล Doubler la fréquence des US revient à multiplier par 2 le coefficient d’atténuation, la portée du faisceau sera réduite de moitié
Production des US pour les examens médicaux ?
Utilisation :
* d’un transducteur
* d’un élément piezo-électrique
Qu’est-ce qu’un transducteur ?
Dispositif qui transforme une énergie de très haute fréquence en énergie mécanique vibratoire de même fréquence
Qu’est-ce qu’un élément piézo-électrique ?
Matériel qui a la propriété de transformer une énergie électrique en énergie mécanique et inversement
Quels sont les différents effets piézo-électriques existants ?
- effet piézo-électrique direct : capacité à transformer une onde de pression en courant électrique
- effet piézo indirect : capacité à transformer un courant électrique en onde de pression
Quels sont les matériaux piézo-électriques ?
- quartz
- céramiques : cristaux ferroélectriques (+++)
- polymères
Mode de fonctionnement des transducteurs ultrasonores ?
En mode pulsé : tension alternative appliquée par des impulsions courtes
=> Le même cristal peut émettre et recevoir
Caractéristiques du mode pulsé des transducteurs ultrasonores ?
- Durée de l’impulsion : de l’ordre de 1 μs : elle détermine la résolution spatiale : plus elle est courte, meilleure est cette résolution
- Période de répétition : de l’ordre de 1 ms (impulsion + intervalle)
Quels sont les principes généraux de l’échographie ?
- Créer une impulsion mécanique la plus brève possible
- La confiner dans un faisceau étroit (= faisceau acoustique)
- Déplacer et orienter ce faisceau
- Créer un image avec ce qui “revient” après chaque émission d’impulsion à l’intérieure de chacun des faisceaux
- Exploiter l’information contenue dans cette image
La transmission est aussi importante que la réflexion ?
OUI :
Nécessaire d’avoir une réflexion pour pouvoir enregistrer le signal mais également nécessaire d’avoir une transmission pour que le faisceau incident puisse pénétrer en profondeur
Sur quoi sont basé les principes généraux de l’échographie ?
Basé sur les propriétés de réflexion d’un faisceau ultrasonore à la jonction entre 2 milieux
Qu’est-ce que le principe de conversion temps/espace ?
Temps entre émission et réception donne profondeur de la structure étudiée :
t = 2d / c
Longueur du trajet parcouru par l’onde ?
2 fois la distance d
Profondeur maximale d’éploration par les ultrasons ?
- Déterminé par la durée de la période de réception de la sonde
- d = 1/2 v * ∆t
Quelles sont les zones existantes au sein du faisceau échographique ?
=> 2 zones successives
* Zone de Fresnel
* Zone de Fraunhofer
A quoi correspond la zone de Fresnel ?
- Cylindre dans l’axe du transducteur dont le diamètre est celui de la source (en cas de source circulaire)
- Le front d’onde est plan et la résolution spatiale est optimale
A quoi correspond la zone de Fraunhofer ?
- Cône
- Le front d’onde est convexe (diffusion du front d’onde)
- L’intensité du faisceau diminue avec l’augmentation de sa surface (=diminution de la résolution spatiale, moins précis)
Qu’est-ce que la résolution ?
- Aptitude du système à présenter 2 échos distincts pour 2 cibles très rapprochées
- Petite distance de l’ordre de grandeur de λ avec λ=c/f
Quelles sont les types de résolutions/direction de faisceau existants ?
- Résolution axiale : Celle qui passe dans la direction de propagation du faisceau ultrasonore
- Résolution latérale : Celle qui passe orthogonalement
Qu’est-ce que la durée de l’impulsion ultra sonore ?
Elle détermine la résolution axiale de l’appareil qui reste constante sur toute la profondeur explorée
=> Habituellement de 1 µs
De quoi dépend la résolution axiale ?
La durée d’impulsion, ce qui impose une fréquence minimale
MAIS !!!
L’atténuation des tissus croît avec la fréquence, ce qui limite la profondeur d’exploration
Qu’entraine le compromis résolution/profondeur d’exploration ?
- On peut étudier avec une grande précision des structures peu profonde et de petite taille
- Les organes profond et/ou volumineux sont étudiés avec une moins bonne résolution
=> La résolution est meilleure pour les hautes fréquences (plus courtes longueur d’onde) mais l’atténuation est aussi plus importante : compromis et adaptation
Fréquence pour une sonde d’observation de l’abdomen ?
3,5 MHz
Qu’est-ce que la focalisation ?
Répartition de l’intensité dans le faisceau d’une céramique mono élément
Caractéristiques de la focalisation ?
- le diamètre de la sonde est petit, + la zone cylindrique est courte et l’angle de divergence grande
- Pour diminuer le diamètre du faisceau dans la zone de FRAUNHOFER, pour améliorer la résolution latérale, une focalisation est réalisée
Focalisation d’un faisceau ?
- Consiste à le rendre plus fin et/ou plus étroit de façon à améliorer la résolution latérale
- Le mode focalisation dépend du type de sondes
- Différents types de focalisation : mécanique ou dynamique électronique
Quelles sont les méthodes d’imagerie US ?
- Mode A/amplitude
- Mode B
- Mode TM (temps-mouvement)
- Mode 3D/4D
Caractéristiques du mode A d’imagerie US ?
- Le mode le plus ancien : fonctionnement des profondimètres (sonar)
- Affichage de l’amplitude du signal recueilli par la sonde en fonction de la profondeur du temps d’arrivée
- Utilisation d’un seul faisceau de direction constante
- Distance entre 2 pics = épaisseur d’une structure
- Absence d’échos entre 2 pics = présence de liquide
Avantages et inconvénients du mode A d’imagerie US ?
- Mesure précise de la dimension des objets
- Information unidimensionnelle
- Pas d’enregistrement du mouvement
Application clinique du mode 1 d’imagerie US ?
- Contrôle de la symétrie-cérébrale du nouveau né par échographie trans-frontanéllaire
- Imagerie ophtalmologique
Caractéristiques du mode B d’imagerie US ?
- Amplitudes des échos modulent la brillance de spot sur l’écran (niveau de gris)
- Base de l’imagerie bi dimensionelle
- Bidimensionnel obtenu par déplacement de la sonde le long du plan de coupe : permet d’obtenir une coupe en 2D en temps réel
Caractéristiques du mode TM d’imagerie US ?
– Permet de suivre le mouvement des organes
– Rajoute au mode B un balayage temporel
– Utilisation en cardiologie surtout pour le mouvement des valves
Caractéristique du mode 3D/4D d’imagerie US ?
- Mode utilisé pour l’échographie fœtale
- Obtention d’images en volume statiques ou indexée au temps
- Rendue volumique après extraction de
surfaces - Utilisation de fréquences de balayage très
élevée puis traitement de l’image pour la filtrer en 3D - 4D (avec le temps), donne une information sur la cinétique
Qu’est-ce que le gain G ?
Rapport entre la tension d’entrée et la tension de sortie, peut être constant ou non, ajustable par l’opérateur
Utilisation du gain en imagerie US ?
Amplifier les signaux sans les déformer en cherchant à compenser les effets de l’atténuation des S dans les tissus
Quels sont les effets biologiques des US ?
Effets thermiques :
– Élévation de la température due à la viscosité du milieu : 1 à 2° (examen de 10 min)
– Liés à la focalisation, intensité acoustique, durée de l’examen, tissu exploré
Effets de cavitation
– Développement de bulles ou de cavités dans le milieu traversé
– Liés à la pression acoustique
– Cavitation implosive : au delà des intensités utilisées en échographie
Application thérapeutiques des US ?
Atténuation <=> transfert d’énergie au milieu
– Seulement pour des énergies importantes,»_space;> à celles du diagnostic
– Utilisation en dermatologie et rhumatologie
Effet de cavitation
– Utilisation d’un gradient de pression pour provoquer des déchirures dans les tissus
– 10 W/cm2 => passage à l’état gazeux des gaz dissous
– Création de nombreuses bulles => onde de choc = 1000 atm
– Application : lithotripsie extra-corporelle
