Chap1 : imagerie médicale A- L`échographie 1

Chap1 : imagerie médicale
A- L’échographie
1 - Quelques rappels sur les ondes ultrasonores
Les échographies ne seraient pas réalisables sans les ultrasons
1-1 Définition
L'ultrason est une onde sonore dont la fréquence est située entre 20 kHz et 1GHz, inaudible par
l'homme. Celle-ci correspond comme pour les autres ondes sonores à un déplacement d'une faible
variation de pression, cela explique le fait qu'elle ne puisse se propager dans le vide.
1-2 Etude du comportement des ultrasons dans différents milieux
L'échographie se base sur la propagation des ultrasons et notamment sur leur comportement lors
de leur passage d’un milieu à un autre.
Soient un faisceau d'ultrasons issu d'un émetteur avec une inclinaison de Өi,
Tout comme pour les ondes optiques, on observe à chaque changement de milieu une séparation
du faisceau en deux parties, la première réfléchie et la seconde transmise ou réfractée, telle que :
Selon les différents milieux utilisés, la vitesse de l'onde sera différente, ce qui va permettre de
caractériser les différents matériaux par l'analyse des ondes réfléchies. On observe alors des suites
d'échos correspondant au phénomène suivant :
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Pour un faisceau d'ultrasons émis, il y aura pour chaque transmission une réflexion consécutive et
donc un écho représenté. On définit donc un écho comme la réflexion d’une onde. L'atténuation de
son amplitude s'explique du fait de la division du faisceau à chaque interface en faisceau transmis et
réfléchi.
Lorsque le faisceau arrive avec une inclinaison normale à la séparation des deux milieux la direction
des ondes transmises et réfléchies, est identique à celle du rayon incident, les échos sont toujours
observables mais il faut que le capteur se trouve au niveau de l'émetteur, c'est le principe de
l'échographie.
2- Echographie, montage et fonctionnement
2-1 Matériel utilisé
 Le générateur utilisé est un générateur d’impulsions électriques qui fournit le signal
électrique de départ. Il est relié à une sonde ultrasonore
 La sonde ultrasonore a deux fonctions principales : celle de transformer le signal électrique
en onde ultrasonore et celle de capter les ondes ultrasonores réfléchies pour les
transformer en signaux électriques.
 Un oscilloscope numérique permet de visualiser le signal électrique de départ et les signaux
électriques correspondant aux échos. On parle d’échogramme.
2-2 Principe de fonctionnement de l’enregistrement d’échos
Le générateur fournit l’impulsion électrique , transmise à la sonde qui la transforme en onde
ultrasonore de fréquence déterminée.
La sonde est placée en incidence normale sur le matériau que nous souhaitons étudier. L’onde créée
est donc réfléchie par le matériau et captée par la sonde qui la retranscrit en signal électrique enregistré
par l’oscilloscope.
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2-2-1 Fonctionnement des sondes ultrasonores
Les sondes sont composées d’éléments appelés transducteur qui ont pour propriété de transformer une
forme d’énergie en une autre.
Dans le cas de l’échographie, ils transforment un signal électrique en onde ultrasonore ainsi qu’une
onde ultrasonore en signal électrique. Pour cela, ils utilisent l’effet piézoélectrique d’un cristal de
quartz.
2-2-2 L’effet piézoélectrique
Cet effet est du aux propriétés particulières de certains cristaux comme le quartz qui se polarisent
lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique et qui se déforment lorsqu’on leur applique un
champ électrique. En effet, le quartz se comprime lorsqu’il est chargé et se charge lorsqu’il est
comprimé.
Le cristal piézoélectrique est excité par l’impulsion électrique fourni par le générateur à la manière
d’une cloche que l’on frappe. Ainsi, le signal électrique transmis au transducteur entraîne
alternativement la compression et la décompression du quartz, ce qui génère une onde
De plus, la fréquence de cette onde varie avec l’épaisseur du cristal piézoélectrique. Plus ce cristal est
mince, plus la fréquence de l’onde générée est élevée. Les transducteurs fournis sont susceptibles d’être
excités pour des fréquences précises telles que 5MHz ; 25MHz.
Le transducteur n’émet pas en continu des ondes ultrasonores mais par salves. Lorsqu’il n’est pas en
position d’émission, il devient capteur et réceptionne les ondes ultrasonores réfléchies. Ces ondes
compriment et décompriment le quartz qui se charge et génère un signal électrique. Ce signal électrique
est enregistré par l’oscilloscope et forme l’échogramme.
2-3 Echogramme
Un échogramme représente l’intensité d’une onde en fonction du temps.
L’échogramme permet donc la visualisation du pic électrique de départ et des différents échos générés
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B- La radiographie
La radiographie est probablement l'un des examens médicaux les plus courants.
1. Principe d’obtention des rayons X
Les rayons X sont produits dans des tubes à rayons X également appelés
tubes de Coolidge ou tubes à cathode chaude . Des électrons émis par
une cathode (un filament, le plus souvent en tungstène, chauffé par le
passage d’un courant électrique) sont accélérés par une différence de
potentiel élevée (de 10 à 150 kV) en direction d’une cible constituée
d’une anode en métal (en tungstène également) .
Les rayons X sont émis par la cible selon deux mécanismes :
 le freinage des électrons par les atomes de la cible crée un rayonnement continu dont une
partie dans le domaine des rayons X ;
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 les électrons accélérés ont une énergie suffisante pour exciter certains des atomes de la
cible, en perturbant leurs couches électroniques internes. Ces atomes excités émettent des
rayons X en retournant à leur état fondamental.
Rq : 1% environ de l’énergie cédée par les électrons est rayonnée sous forme de rayons X, les 99 %
restants sont convertis en énergie thermique.
2. Absorption des rayons X
L’intensité I(x) du rayonnement décroît exponentiellement en fonction de l’épaisseur x de matière
traversée :
I(x)= I0. exp(-mx)
où m est le coefficient d’atténuation linéaire
L’absorption d’un rayonnement X par un milieu dépend fortement de la nature des atomes
Le coefficient d’atténuation m croît en fonction du numéro atomique Z des atomes du matériau, et
décroît en fonction de l’énergie du rayonnement.
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On constate :
-
que l’absorption est d’autant plus rande que le nombre atomique Z des atomes du matériau
traversé est élevé.
-
qu’un rayonnement de grande énergie (courte longueur d’onde ou de faible fréquence)) sera
moins absorbé, donc plus pénétrant qu’un rayonnement de plus faible énergie.
Les rayons X les plus pénétrants sont appelés rayons « durs » (longueurs d’ondes inférieures au
nanomètre) et ceux de longueur d’onde grande (ou fréquence basse) sont appelés « mous »..
3. Application à l’imagerie médicale
Le faisceau de rayons X produit par un tube à rayons X est émis en direction de la zone du corps
humain à examiner, son intensité est « modulée » par l’absorption différentielle des organes
traversés. L’image est recueillie en sortie sur un détecteur (plaque photographique par exemple).
Le coefficient d’atténuation m dépend de la composition chimique des tissus traversés : Il est élevé
pour l’os, moyen pour les tissus mous et faible pour la graisse.
Rq 1 : Les os contiennent en effet des sels minéraux (phosphore, calcium, magnésium) qui sont des
éléments de numéro atomique plus élevés que les constituants principaux des tissus mous
(oxygène, carbone, hydrogène, azote…). Ils absorbent donc plus les rayons X.
Rq2 : La radiologie conventionnelle ne détecte que des contrastes supérieurs à 4%, ce qui est le cas
naturellement pour les os ou les poumons. Lorsque le contraste est insuffisant, on utilise des
produits contrastants, par exemple l’iode ou le sulfate de baryum BaSO4 (« bouillie barytée » lors
d’un examen du tube digestif).
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