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Spécial “ Acoustics’08 ”
35
Acoustique
&
Techniques n° 53
Imagerie et thérapie : applications médicales des ultrasons
- une souplesse du matériau (éventuellement thermo-
moulable), ce qui permet de réaliser aisément des
coupelles ou des cylindres ;
- un couplage latéral faible, intéressant pour la réalisation
d’une focalisation électronique de qualité à partir de
barrettes de transducteurs.
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 sectoriel mécanique
: le capteur est
déplacé grâce à un moteur, et produit 10 à 30 images
par seconde. Le mouvement mécanique est obtenu
essentiellement de deux manières : oscillation d’un
transducteur autour d’un point fixe ou déplacement
linéaire de va-et-vient si l’amplitude du déplacement est
faible. 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.
-
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, de manière à
exciter avec un léger décalage de temps les éléments
adjacents de la barrette. Le front d’onde constitué par la
somme des fronts élémentaires émis se propage alors
dans une direction qui fait un angle
θ
(qui dépend de la
valeur des retards) avec la normale au capteur. Le même
déphasage est appliqué ensuite sur les signaux reçus par
les différents transducteurs. La variation des retards, à
chaque nouvelle séquence d’émission-réception, permet
de réaliser un balayage sectoriel dont l’ouverture maximale
est de 90° environ. L’image obtenue à la forme d’un
secteur dont le sommet correspond au point de contact
de la sonde avec la peau du patient. Dans les appareils
récents, on superpose des retards supplémentaires aux
retards de déflexion, afin de réaliser une focalisation
électronique.
-
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 fournissent des
images rectangulaires avec des lignes d’acquisition
parallèles, très appréciées en exploration abdominale et
en obstétrique.
-
Lebalayageélectroniquelinéairesursondeconvexe:
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 récente 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). Cette
technique s’impose progressivement dans la majorité des
applications de l’échographie transcutanée.
L’imagerie échographique endocavitaire utilise des
capteurs miniatures dont les diamètres vont de 10
à 20 mm pour les sondes endo-oesophagiennes,
endorectales ou endovaginales, à moins de 1 mm pour
les sondes endovasculaires. 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 classiques et prochainement pour être
intégrés dans des systèmes de robotique chirurgicale.
L’imagerie tridimensionnelle par ultrasons n’a pas
encore atteint le stade de l’utilisation de routine pour
plusieurs raisons, liées à la fois au prix des capteurs
et de l’informatique associée, aux problèmes liés à la
représentation d’un corps opaque en 3 dimensions,
et à la compétition avec la vue en 3D «naturelle» des
échographistes entraînés. Cependant, plusieurs appareils
commerciaux possèdent déjà cette possibilité. La mise
au point de capteurs ultra-rapides (rétine à ultrasons),
et intelligents, semble être une clef dans l’évolution de
l’échographie 3D.
Focalisation
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
∆
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
υ
de ces
derniers en appliquant la formule:
∆
F = F-F' = 2F
υ
cos