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Dispositifs d'imagerie mdicale

Echographie

Intervenant : F. Rousseau

rousseau@unistra.fr

Echographie

Principe de lchographie

Envoi dune onde ultrasonore

Analyse du signal rflchi

Utilisation

Diagnostic

Thrapeutique

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Echographie

Comment voir mieux ?

Comment voir plus ?

Comment voir des organes considrs inaccessibles jusqu maintenant ?

Bref historiqueDate Dcouvreur Fait

1822 Colladon Propagation des sons dans leau

1840 Doppler Effet Doppler

1877 Rayleigh Publication de Theory of sound

1880 Frres Curie Effet pizolectrique

1915 Langevin Propagation des ultrasons

1950s Wild, Leskell puis Donald Echographie diagnostique

1987 Utilisation du Doppler couleur

1990s Echographie 3D

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Plan

Physique

Ralisation

Les autres chographies

Plan

Physique

Les ultrasons

Interaction avec la matire

Focalisation

Ralisation

Les autres chographies

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Les ultrasons (US)

Ondes acoustiques

Ondes lastiques ( lectromagntiques)

Phnomne mcanique

Vibrations matrielles

Equation de propagation:

Les ultrasons (US)

Classification selon la frquence

Infra-sons : f < 20 Hz

Sons audibles : 20 Hz < f < 20 KHz

Ultrasons : 20 KHz < f < 500 MHz

Hyper-sons : f > 500 MHz

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Les ultrasonsFrquence applications

0.5 MHz Ostodensitomtrie

1 MHz Echo-encphalographie mode A

2.25 MHz Echo abdominale (sujets corpulents)Doppler trans-crnien

3.5MHz Echo abdominaleEcho cardiaque

4 MHz Doppler vaisseaux priphriques

5 MHz Tissus superficielsEcho abdominale (sujets minces)Thorax, seins, testicules, gyncologie, thyrode, cerveau de nouveau-n

7.5 - 10 MHz Tissus trs superficielsOeil, hanche du nouveau-n, sein, thyrode

12 20 MHz Biomtrie en mode A (ophtalmologie)

1 10 GHz Microscopie ultrasonore

Les ultrasons

Vitesse de propagation : c2 = E /

avec E et : lasticit et densit du milieu

uniforme dans les tissus mous ( 1540 m/s)

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Les ultrasons

Limpdance : Z2 = / ou Z = c

: compressibilit

Exprime le comportement dun milieu matriel vis--vis des US

Frquence et longueur donde : = c / f

3 MHz < f < 12 MHz

Longueur donde : pouvoir de rsolution

Rmq: f constante, varie avec la nature du milieu

Interactions avec la matire

Absorption Rflexion

Rfraction Diffusion

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Interactions avec la matire

Absorption : I(x) = I0 e-x avec proportionnel f2

Rflexion : R = (Z2 Z1)2 / (Z2 + Z1)2

6% pour 1 interface foie/rein

40% pour 1 interface tissus mous / os

Interactions avec la matire

Rfraction : sin t / sin i = c2 / c1

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Interactions avec la matire

Diffusion d : taille de linterface

3 types de diffusion: d >> : rtro-diffusion

d : diffusion antgrade

d

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Interactions avec la matire

Retour sur le principe de lchographie Utilisation de la rflexion des ondes US

Limitations : diffusion, rfraction, absorption et rflexion !

Comment diriger les ondes US ?

Le faisceau ultrasonore

Diriger les ondes US

Londe US peut se dplacer dans toutes les directions de lespace (onde sphrique)

Pour obtenir un faisceau (onde directionnelle), il faut que < dimension de la source

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Morphologie du faisceau US

Champ proche

Longueur : L = D2 / 4 avec D diamtre de la source

Champ lointain

sin = 1.22 /D

Morphologie du faisceau US

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Le diagramme de rayonnement

Commentaires de traiteurs de signaux ?

La focalisation

Cas idal

Focalisation idaleFront donde sphrique

Focalisation pratiqueR F / a

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La focalisation

Ralisation pratique : cration dun front donde sphrique

Transducteur sphrique

Lentille

Focalisation lectronique

La focalisation mixte

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La focalisation mixte

Focalisation mcanique et fixe dans lpaisseur de coupe

La focalisation mixte

Focalisation lectronique et variable dans le plan de coupe

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La focalisation

Combinaison de plusieurs focales -> baisse de rsolutiontemporelle

Focalisation en mission ET en rception

Emission Rception

Plan

Physique

Ralisation

La sonde

Leffet pizo-lectrique

Mode dacquisition

Formation de limage

Les artefacts

Les autres chographies

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La sonde

Points clefs:

Elle conditionne la qualit de limage

Cest la fois un metteur et un rcepteur

Elle transforme limpulsion lectrique en onde Us et inversement

Choix de la frquence

Type de la sonde

Leffet pizo-lectrique

Les centres de gravits sont confondus Les centres de gravits sont dissoccis

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Leffet pizo-lectrique

Soit une force F = P S, applique sur les 2 faces du cristalpizo-lectrique : Cration dune tension pizo-lectrique U

Effet pizo-lectrique direct U = k P

Et inversement, soit une tension U applique au cristal pizo-lectrique : Cration dune dformation du cristal et dune pression P,

Effet pizo-lectrique inverse : P = k U

Leffet pizo-lectrique Pizo-lectricit

Dcouverte en 1880 par les frres Curie Naturelle (cristaux tel que le quartz), Artificielle (polarisation des matriaux ferrolectriques)

Matriaux pizo-lectriques : Cristaux, Cramiques, Polymres, Composites

2 Caractristiques importantes : Constante de couplage kt : aptitude convertir lnergie lectrique en

nergie mcanique, et inversement Impdance Z : doit tre proche de celle des tissus biologiques

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Modes dacquisition

Mode A (amplitude) Visualisation 1D de lamplitude du signal recueilli par la sonde en

fonction de la profondeur

Mode B (brillance) Luminosit du point en fonction de lamplitude de lecho. En mode

2D, on obtient une image US.

Mode TM (temps-mouvement) Reprsentation des variations 1D de la position et de la brillance des

chos en fonction du temps

Modes dacquisition

Mode A

Mode B

Mode TM

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Modes dacquisition

Balayage du plan de coupe (mode B)

Barrette droite

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Balayage du plan de coupe (mode B)

Barrette courbe (sonde phased-array)

Formation de limage

Traitements la rception Amplification, dmodulation et redressement

Numrisation

Interpolation (balayage sectoriel)

Adaptation du signal chographique la visualisation :

compenser l'attnuation des ultrasons en fonction de la profondeur traverse

adapter la dynamique du signal chographique

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Formation de limage

Compenser lattnuation :

Dynamique la reception 100 110 dB

Attnuation 70 dB

Phnomne dabsorption : I(x) = I0 e-x

Gain de lamplificateur : G(x) = G0 et

Signal de sortie : S(x) = G0I0 et -x

Formation de limage

Adaptation de la dynamique

Dynamique du recepteur : 120dB

Dynamique dun cran : 30dB

On effectue une compression logarithmique

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Rsolution de limage US

Rsolution : capacit distinguer deux points objetsdiffrents

Rsolution axiale (0.1 1mm)

Rsolution latrale (1 5mm)

Epaisseur (2 12mm)

Rsolution temporelle

Artefacts en mode B

3 types dartefacts

chos absents

Echos surajouts

Dformations de limage

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Artefacts en mode B

chos absents

Cnes dombre de sparation

Cnes dombre des parois latrales

Artefacts en mode B

chos surajouts

chos retardataires

Artefacts des lobes secondaires

Artefacts en mirroir

Effet de volume partiel

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Artefacts en mode B

Dformations de limage

Artefacts de vlocit

Images de ddoublement

Artefacts en mode B

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Artefacts en mode B

Artefacts en mode B

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Plan

Physique

Ralisation

Les autres chographies

Lchographie 3D

Lchographie Doppler

Limagerie non linaire

Elastographie

Densitomtrie osseuse

Lchographie interventionnelle

Lchographie 3D

But : Obtenir une information 3D

Amliorer les mesures (prcision et reproductibilit)

Eliminer la dpendance loprateur

Permettre un meilleur suivi des patients

Applications Tlmdecine, analyse volumique, proposer plus de modes de

visualisation, chirurgie assiste, systmes de ralit augmente

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Lchographie 3D

Lchographie 3D

Acquisition des donnes

3 systmes :

Sondes 3D, systmes balayage mcanique, systmes main-libre

systmes balayage mcanique

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Lchographie 3D

Acquisition des donnes

Systmes main libre

Sondes classiques

Localisateur

Lchographie