Les ondes acoustiques
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DIU Echocardiographie Rennes 22 janvier 2010 DIU Echocardiographie Ouest 20 janvier 2011 ONDES ULTRASONORES PRINCIPES PHYSIQUES Pr Frédéric PATAT Service de Médecine Nucléaire In vivo - Ultrasons Hôpital BRETONNEAU - CHRU de Tours INSERM U930 CNRS ERL 3106 Plan de l’exposé • • • • • • Repères historiques Ondes acoustiques Faisceaux et sondes Formation de l’image Artéfacts Conclusion ECHO…GRAPHIE La nymphe Echo, fut condamnée par Héra à répéter les derniers mots qu’elle entendait. Puis amoureuse de Narcisse, elle dépérit, s’effaça Seule sa voix subsiste…. Mesure de la vitesse du son dans le lac Léman Ondes acoustiques et imagerie échographique Histoire 1950 : les premiers appareils d ’échographie (Tourelle de B29) Ondes acoustiques et imagerie échographique Histoire 1957 : le Pan Scanner 1960 : premier échographe japonnais commercial Aloka SSD1 Echographe à balayage manuel et échelle de gris, 1973 L ’imagerie échographique des années 1970 Coupe parasagittale droite passant par le foie et le rein dt Ondes acoustiques ? Déplacement de matière Au sein d’un milieu matériel Moyenne nulle Mettant en jeu : Elasticité et Inertie Différents types d’onde ; Onde transversale (cisaillement) ou onde longitudinale (compression) Célérité d’une onde = Vitesse de propagation = c c² = Raideur / Inertie = Coef élastique / ρ ρ = masse volumique Air : c = 340 m/s = 1250 km / h Dépend ( peu) de la température Eau : c = 1500 m/s Dépend ( très peu) de la température Célérité dans les tissus mous voisine de 1540 m/s période Ondes : temps Variations de la pression, du déplacement, de la vitesse longueur d’onde =λ= c / f = c . T espace La longueur d’onde est l’échelle de référence pour tous les phénomènes acoustiques : les ordres de grandeur : 1 MHz : 1,5 mm 3D of mouse embryo, ED 14.5 3 MHz : 0,5 mm 5 MHz : 0,3 mm 15 MHz : 0,1 mm 50 MHz : 0,03 mm 40 MHz Echographie du petit animal Biologie du développement du fœtus chez la souris: 11.5 et 13.5 jours a) 11.5 jours : tube neural NT, cœur H, ébauche colonne vertébrale S b) 13.5 jours (section transversale): ébauche membres, cœur, colonne vertébrale c) 13.5 jours : ventricules cérébraux LV, TV, yeux E. L’impédance acoustique est le lien entre p et v : p = Z. v p la pression, v la vitesse des molécules (pas de l’onde) Z = ρ.c L’impédance gouverne la formation des échos C1, Z1 Incident Continuité de pression Reflected Transmitted C2, Z2 pi + pr = pt Pas de vide vi + vr = vt The amplitude of reflexion- transmission phenomena is governed by the ratio of acoustical impedance i.e. acoustical contast. It is totally similar to other types of waves and very important in practice for echo sources, transducers construction and NDE. Speaking in terms of Energy : 2 pr Z 2 − Z1 R= = p Z + Z 1 i 2 2 pt ² Z1 4.Z1.Z 2 T= . = Z 2 pi ² ( Z 2 + Z1 )2 Of course R + T = 1 INTENSITE ACOUSTIQUE L’intensité acoustique I est définie par : I = p²/ 2 ρc (W.m–2) soit aussi : I = 1/2 ρc . v² car p = ρc . V L’amplitude des échos est défini par les variations de Z. Medical ultrasound: Le corps humain proche de l’eau sauf gaz et os I = 100 mW/cm² = 103 W/m² ρ0 = 1000 kg/m-3 c = 1540 m/s Z = 1.54 Ra p = 0.55 105 Pascal : demie atmosphere! v = 3.7 cm/s If f = 5 MHz λ = 0.3 mm u = v/ω = 10−9 m = 10 Α γ = v.ω = 1.1 106 m.s-2 : 105 fois g !! Echelle des dB pour : déci Bel C’est en fait une échelle log par rapport à I0 la référence I = 10 x I0 alors I vaut 1 Bel soit 10 dB I = 100 x I0 alors I vaut 2 Bel soit 20 dB I = 10 -4 x I0 alors I vaut - 4 Bel soit -40 dB … Intensité en dB = 10 log (I/I0) Intensité en dB = 20 log (A/A0) Faisceau et transducteurs Les 3 fonctions des capteurs E/R Focalisation Balayage Le Mans Monte le Son Propagation d’une onde Focaliser une onde : c’est faire en sonde que toutes les contributions arrivent simultanément Les effets de la diffraction viennent limiter la taille de la zone focale à quelques longueur d’ondes Méthodes de focalisation : •Courber la surface du transducteur •Lentille acoustique •Focalisation électronique Focalisation par transducteur concave : f=R f Focalisation par lentille acoustique : f = R / (1-c2/c1) Célérité c2 f c2 < c1 Célérité c1 le centre de l’ouverture est ralenti La résolution latérale R lat A –6dB, ie à mi hauteur, la résolution latérale vaut environ: RL = λ . Focale / ouverture Ex : fréquence 3,5 MHz λ = 0,43 mm f = 70 mm ouverture = 20 mm RL = 0,43 x 3,5 # 1,5 mm Améliorer la résolution latérale : RL = λ . Focale / ouverture Il faut donc •Diminuer la longueur d’onde soit augmenter la fréquence ( Pb profondeur) Intérêt harmonique H2 •Diminuer la focale, mais elle dépend de la profondeur de la cible •Augmenter l’ouverture (Pb taille du contact sonde – patient) Par ailleurs, des écarts dans la vitesse de propagation peuvent venir rompre la sphéricité des ondes (mauvais patients, nodules graisseux): intérêt de l’imagerie harmonique native Une focalisation trop poussée donne une profondeur focale faible FOCALISATION ELECTRONIQUE = UTILISATION DE BARRETTES barrette linéaire plane vermon.com 31 1 lentille acoustique 2 lame adaptatrice 3 transducteur piézo-électrique 4 milieu arrière 5 ligne coaxiale barrette courbe Focalisation azimutale sur barrette 1D La lentille cylindrique permet de limiter l’épaisseur du plan de coupe dans la zone de la profondeur focale 32
