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Stéphanie Clavel Biophysique

Aurélie Fillion 13.10.00

Les Ultra-sons

1. Principes

Les US sont des radiations non-ionisantes, donc atraumatiques (notamment pour le fœtus). Ce sont des ondes mécaniques ayant besoin d'un support matériel pour se propager, elles ne se transmettent donc pas dans le vide.

A la rencontre d'un obstacle se produisent 2 phénomènes:

- réflexion d'une partie de l'onde = écho

- modification de la fréquence de l'onde réfléchie

2. Résultats, utilisations

- Atraumatiques

- Examinateur-dépendants (sonde dans la main du médecin Þ les résultats peuvent varier d'un médecin à l'autre).

- Recueil de 2 types de données: 1. morphologiques

2. fonctionnelles

- 3 modes d'utilisation:

1. Image d'un organe: tous les organes sont visibles sauf le poumon (air Þ pas de transmission) et l'os (calcifié Þ réflexion totale), ce qui permet une utilisation per-opératoire.

2. Mode TM (temps-mouvement): visualisation du mouvement d'une structure en temps réel.

ex: mouvement d'une paroi

3. Doppler: visualisation du sens de l'écoulement et mesure de la vitesse du sang, donc du débit.

Distinction des circulations artérielle et veineuse avec attribution de couleurs (sang artériel en rouge, veineux en bleu).

· Caractéristiques physiques

Les US sont des ondes sinusoïdales (phénomène ondulatoire) présentant différents paramètres:

vitesse (célérité) du son dans le milieu	v	L.T^-1
longueur d'onde (distance entre 2 maximums)	l	L
période (temps mis pour parcourir l)	T	T
Fréquence	u = 1/T	T^-1
Impédance	Z = r.v r:masse volumique	M.L^-2.T^-1

v = l / T = l.u

matériaux	air	eau	os	Al (substance compacte)
v (m.s^-1)	345	1500	4000	5100

3. Interactions US-matière (interface)

1) angles

milieu 1 milieu 2

v1 v2

Si v₁ ¹ v₂, il se produit 2 phénomènes:

- réflexion r	sin i = sin r
- transmission t avec changement de direction	v1 / v2 = sin i / sin t

Si l'angle est petit: sin i » i et sin t » t Alors: v₁ / v₂ = i / t

2) coefficients

coefficient de réflexion Cr = (Z₁ - Z₂) / (Z₁ + Z₂) Z: impédance

coefficient de transmission Ct = 2 Z₁ / (Z₁ + Z₂)

Pour que les US soient utilisables en médecine, il est nécessaire d'obtenir un certain équilibre entre réflexion et transmission.

ex: pour visualiser un organe profond, les ondes doivent être en partie transmises et non pas entièrement réfléchies en superficie.

3) fractions d'énergie

fraction d'énergie réfléchie Rr = Er / Ei = (Z₁ - Z₂)² / (Z₁ + Z₂)²

fraction d'énergie transmise Rt = Et / Ei = 4 Z_1.Z₂ / (Z₁ + Z₂)²

avec Rr + Rt = 1

Ei: énergie incidente

Er: énergie réfléchie

Et: énergie transmise

Si Rt est très petit et donc Rr très élevé, alors il y a un phénomène d'onde acoustique, i.e qu'on ne peut pas visualiser ce qui est placé derrière l'interface.

ex: air, plaque calcifiée, os

D'où l'importance du gel entre la sonde et la peau.

4) atténuation du faisceau lors de la traversée d'un milieu (perte d'énergie)

I_x = I₀.e^-2mx

m = (h (2p.u)²) / (2v.r) = f(u²)

x: épaisseur du matériau traversé

I₀: intensité initiale

m: coefficient d'atténuation

Si n augmente, alors m augmente, donc l'atténuation est forte.

Suivant les structures anatomiques à observer, les fréquences des ondes sont différentes.

structures anatomiques	type de fréquences	MHz
superficielles ex: carotide	hautes	7.5-10
profondes, épaisses ex: foie, utérus	basses	3.5-5

5. Image d'un organe et TM

Les points lumineux sur l'écran sont en fonction de l'amplitude de la réflexion des ondes.

objet M2 dans milieu M1 mode A (amplitude) mode B (brillance)

En déplaçant la sonde, on peut reconstituer l'image de l'organe. A l'opposé, une sonde immobile permet de visualiser les mouvements de l'organe.

6. Echo-doppler

Lorsque des faisceaux US rencontrent un vaisseau (artère ou veine) contenant du sang dont les principales cellules sont les globules rouges (GR), ils se réfléchissent au niveau de l'interface GR-plasma. Or les GR sont:

Ø nombreux

Ø répartis de façon très hétérogène

Ø situés dans des plans d'orientation différents

Ø mobiles

Ainsi les faisceaux se réfléchissent dans différentes directions.

Le doppler permet de connaître:

Ø le sens de l'écoulement du sang

Ø la vitesse v du sang

1) définition de DF

Dans la cas d'un faisceau défini, la fréquence est donnée par:

DF = 2F.v.cosq / C

avec DF = F'-F

F: fréquence de l'onde incidente

F': fréquence de l'onde réfléchie

C: célérité des US dans le milieu

v: vitesse d'écoulement du sang

q: angle entre les faisceaux US et la direction de l'écoulement du sang

	onde incidente (F,l) onde réfléchie (F',l')
onde US

2) signe de DF

- cible fixe: v = 0

F' = F et l' = l Þ DF = 0

- cible s'éloignant de l'onde à v = cste

F' < F et l' > l Þ DF = cste < 0

- cible se rapprochant de l'onde à v = cste

F' > F et l' < l Þ DF = cste > 0

On peut donc définir le sens d'écoulement du sang en calculant le signe de DF, et ainsi différencier les veines des artères.

- cible mobile avec v ¹ cste

DF ¹ cste Þ on peut définir les variations de vitesse d'une circulation.

3) doppler continu et doppler pulsé

Doppler continu: émission continue d'US

Þ mesure de la vitesse de tous les GR

Doppler pulsé: émission discontinue d'impulsions brèves d'US

Þ permet de définir une fenêtre, où on mesure les vitesses dans un volume déterminé, donc dans un vaisseau déterminé, et non pas dans plusieurs vaisseaux en même temps (méthode plus précise)

4) écoulement frontal et écoulement parabolique

Suivant les types d'écoulement, les faisceaux d'US réfléchis sont différents.

écoulement frontal	écoulement parabolique = newtonnien
pendant la systole	pendant la diastole (vitesse d'écoulement max)

5) examen pratique

L'examen doppler permet de détecter les rétrécissements des artères ou des veines (dans le cas d'une sténose, il y a une accélération du sang au niveau du rétrécissement), les anomalies des mouvements du cœur et même les troubles du rythme cardiaque chez le fœtus (mesure de la vitesse dans le cordon ombilical).