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CFA - Tours 2006
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Acoustique
&
Techniques n° 45
On peut envisager dans l’avenir la production de rétines à
ultrasons avec des densités de l’ordre du millier de cellules
par cm².
Pour répondre aux nombreuses applications diagnostiques
des ultrasons, il a été nécessaire de développer une grande
variété de capteurs, les appareils d’échographie Doppler
récents possédant de 20 à 30 sondes différents en taille,
fréquence ultrasonore, et modes de balayage.
L’imagerie échographique
L’imagerie échographique des structures peut-être obtenue
grâce à plusieurs types de balayage :
- le balayage mécanique : le capteur est déplacé grâce
à un moteur, et produit 10 à 30 images par seconde. Le
balayage mécanique est actuellement réservé aux sondes
de fréquences ultrasonores supérieures à 15 MHz pour
lesquelles le balayage électronique n’est pas encore utilisable
en raison des dimensions très faibles des éléments constituant
le capteur.
- le balayage sectoriel électronique par déphasage (phased
array) : une petite barrette de transducteur (par exemple 64
éléments de 0,25 mm de côté) est utilisée pour générer et
recevoir les ultrasons. Les impulsions d’émission transmises
à chaque transducteur élémentaire sont déphasées entre elles
linéairement. Le même déphasage est appliqué ensuite sur les
signaux reçus par les différents transducteurs. On superpose des
retards supplémentaires aux retards de déflexion, pour réaliser
une focalisation électronique à l’émission et à la réception.
- le balayage électronique linéaire sur sonde plane : cette
technique repose sur l’utilisation d’un barreau détecteur de 3
à 12 cm de long, constitué d’un nombre important de capteurs
de petite dimension (de l’ordre d’une fraction de millimètre),
placés côte à côte. La surface d’émission-réception est
obtenue en associant un certain nombre d’éléments de ce
barreau (24 à 128 par exemple), excités simultanément.
Après chaque séance d’émission réception correspondant à
l’exploration d’une ligne, la surface de travail est translatée d’un
élément, de sorte que l’espace entre chaque ligne d’exploration
est égale à la largeur de chaque transducteur élémentaire.
La commutation rapide d’une ligne à l’autre permet, comme
en balayage sectoriel électronique, d’obtenir des cadences
d’images de 30 à 100 par seconde, sans aucune pièce en
mouvement, et de générer des fréquences ultrasonores
jusqu’à 15 MHz environ. Ces capteurs peuvent associer une
déflexion électronique pour réaliser des images composées
par superposition d’images obtenues sous différents angles,
ou pour des acquisitions en mode Doppler.
- le balayage électronique linéaire sur sonde convexe : en
utilisant un balayage linéaire le long d’un barreau convexe de
transducteurs, on peut orienter les faisceaux d’ultrasons émis,
dans un secteur de l’ordre de 60°. Cette technique associe
les avantages du balayage électronique linéaire (simplicité de
l’électronique et fréquence ultrasonore élevée) et du balayage
électronique sectoriel (surface de contact réduite, utilisation
à travers des fenêtres acoustiques de faible dimension).
- l’imagerie échographique endocavitaire utilise des capteurs
miniatures dont les diamètres vont de 10 à 20 mm pour
les sondes endo-oesophagiennes, endo-rectales ou endo-
vaginales, à moins de 1 mm pour les sondes endo-vasculaires.
Ces dernières utilisent un balayage mécanique, alors que les
précédentes sont pilotées électroniquement. De plus en plus
ces capteurs ultrasonores sont utilisés en salle d’opération
pour guider des interventions et prochainement pour être
intégrés dans des systèmes de robotique chirurgicale.
- l ’ imagerie tridimensionnel le par ultrasons atteint
progressivement le stade de l’utilisation de routine malgré
plusieurs difficultés : prix des capteurs et de l’informatique
associée, problèmes de représentation d’un corps opaque en 3
dimensions, et compétition avec la vue en 3D « naturelle » des
échographistes entraînés. Plusieurs appareils commerciaux
possèdent la possibilité de représentation surfacique en temps
réel pour le fœtus et le cœur. La mise au point de capteurs
ultrarapides (rétine à ultrasons à base de CMUTs) semble être
une clef dans l’évolution de l’échographie 3D.
Focalisation électronique
La focalisation électronique dynamique (ou en poursuite
d’échos) est utilisée de manière quasi-systématique sur tous
les capteurs d’imagerie, qu’ils soient à balayage électronique
ou mécanique. La position de la zone focale d’émission n’est
déplaçable que d’un tir à l’autre, alors que la zone focale
de réception peut être commutée pour poursuivre le front
d’onde au cours de sa propagation. Les réseaux annulaires
permettent d’adapter cette focalisation électronique sur les
capteurs à balayage mécanique.
Les techniques à effet Doppler
La variation de fréquence
D
F par effet Doppler entre les
ultrasons incidents (fréquence F) et les ultrasons réfléchis
(fréquence F’) par les globules rouges du sang en mouvement,
permet de détecter la vitesse
u
de ces derniers en appliquant
la formule :
D
F = F-F’= 2F
u
cos
q
/c, dans laquelle c est la
vitesse des ultrasons et cos
q
l’angle moyen entre l’axe
d’émission-réception d’ultrasons et l’axe du vecteur vitesse.
Les vitesses normales d’écoulement du sang étant comprises
entre 0 et 150 cm. s-1, et la fréquence des ultrasons F variant
de 2 à 10 MHz selon le domaine d’application, la variation de
fréquence
D
F est comprise entre 0 et 10 kHz, c’est-à-dire
qu’elle se situe dans la gamme des fréquences audibles.
Lors de la réflexion des ultrasons sur un ensemble de particules
en mouvement, le signal dû à l’effet Doppler est composé
de signaux de différentes fréquences
D
Fi, correspondant
aux différentes vitesses vi des réflecteurs présents dans le
volume de mesure. Le signal Doppler
D
F présente donc un
certain spectre de fréquences qui pourra être détecté par un
analyseur de spectre. Chaque signal Doppler correspondant à
une vitesse déterminée, est alors détecté avec une amplitude
qui dépend du nombre de particules ayant cette vitesse, à
un instant donné, dans l’artère. On démontre aisément
qu’en cas d’écoulement parabolique chaque fréquence (ou
vitesse) est détectée avec le même niveau énergétique, car
il y a le même nombre de particules dans chaque tranche de
vitesse. Par contre, si l’écoulement présente un profil non
parabolique, cette relation n’est plus vraie : en particulier,
en cas d’écoulement turbulent, l’instabilité du spectre est
Ultrasons et médecine : un mariage réussi