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Spécial “ Acoustics’08 ”
Acoustique
&
Techniques n° 53
Imagerie et thérapie : applications médicales des ultrasons
θ
/c, dans laquelle c est la vitesse des ultrasons et cos
θ,
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
∆
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
∆
F
i
,
correspondant aux différentes vitesses v
i
des réflecteurs
présents dans le volume de mesure. Le signal Doppler
∆
F présente donc un certain spectre de fréquences qui
pourra étre 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 caractéristique et permet de graduer le degré de
turbulence, et indirectement de connaître le pourcentage
de réduction du calibre du vaisseau.
Le traitement électronique du signal Doppler se fait
essentiellement de deux manières différentes :
- On peut rechercher la fréquence moyenne du spectre,
ce qui fournit directement une information sur la moyenne
des vitesses le long de la section, c’est-à-dire une donnée
proportionnelle au débit instantané ;
- On enregistre l’évolution du spectre au cours du temps,
afin de conserver toutes les informations contenues dans
le signal d’origine et caractériser ainsi les écoulements
non paraboliques.
Les appareils à effet Doppler
Il existe deux types d’appareils Doppler disponibles :
- Les appareils à émission continue dans lesquels le capteur
est constitué d’une céramique émettrice, qui transmet en
permanence un signal ultrasonore dans le milieu, et d’une
céramique réceptrice qui détecte les signaux réfléchis.
Ces appareils ont été largement utilisés pour l’exploration
de vaisseaux superficiels, faciles à identifier (vaisseaux du
cou et des membres en particulier). Ils sont reliés soit à un
enregistreur graphique pour l’enregistrement des courbes
de vitesse, soit à un système d’analyse spectrale, suivant
le mode de traitement du signal Doppler utilisé. Les
appareils à émission continue sont peu onéreux et faciles
à mettre en œuvre ; ils sont cependant limités lorsque les
vaisseaux à explorer sont profonds ou lorsque plusieurs
vaisseaux peuvent se superposer dans l’axe du capteur.
- Les appareils à émission pulsée émettent une brève
impulsion, comme en échographie, puis le transducteur
devient récepteur et détecte le signal réfléchi en fonction
de la profondeur. Une porte électronique permet de
sélectionner le signal correspondant à la région à explorer
et évite la superposition d’informations provenant de cibles
placées en avant ou en arrière. Il existe des systèmes
Doppler multiportes, qui explorent la circulation à plusieurs
profondeurs simultanément. Les appareils Doppler pulsé
sont très utilisés dans l’exploration de la circulation
abdominale et intracérébrale, ainsi que pour étudier les
flux intracardiaques. Ils sont à la base des systèmes
d’imagerie du sang circulant par Doppler couleur.
Association échotomographie et Doppler (système
Duplex)
L’exploration du flux dans les vaisseaux profonds ou
dans les cavités cardiaques est difficile sans un repérage
anatomique précis. Cette investigation devient alors
possible grâce à l’utilisation d’un système Doppler pulsé,
couplé à un échographe à balayage mécanique ou
électronique. Certains éléments du capteur sont alors
utilisés en alternance, pour l’imagerie et l’exploration
Doppler. Après avoir repéré les structures cardiaques ou
vasculaires sur l’image échographique, on positionne dans
cette image la ligne de visée et la fenêtre d’exploration
Doppler. Ce système combiné permet de connaître
simultanément le calibre des vaisseaux ou de l’orifice
cardiaque étudié et la vitesse du sang, et donc de calculer
le débit sanguin à travers la peau ou d’effectuer une
corrélation entre les perturbations hémodynamiques et
les anomalies morphologiques.
Imagerie Doppler couleur
En utilisant un système Doppler pulsé multiporte, il est
possible d’étudier la circulation à plusieurs profondeurs
simultanément. Si on translate rapidement la ligne de
visée Doppler, on peut effectuer une cartographie des flux
sanguins. Un code de couleurs permet de présenter par
exemple en rouge le sang qui se déplace vers le capteur
(effet Doppler positif) et en bleu le sang qui s’éloigne du
capteur (effet Doppler négatif). L’intensité de la couleur
est fonction de l’amplitude du vecteur vitesse. On peut
ainsi superposer sur une même coupe, en échelle de gris,
les structures cardiaques ou vasculaires, et en échelle
colorée les vitesses d’écoulement sanguin. Une variante
consiste à moduler l’échelle de couleur par l’énergie du
signal Doppler, et non pas par la valeur de la variation de
fréquence Doppler.
Cette «angiographie à ultrasons» est extrêmement
importante pour les diagnostics de malformations
cardiaques chez le nouveau-né, l’étude des valvulopathies
acquises en cardiologie adulte, l’exploration des maladies
vasculaires et la recherche d’anomalies de la circulation
chez le fœtus ou dans les tumeurs. Ces appareils se
généralisent de plus en plus en raison de leur intérêt
diagnostic majeur.
Applications diagnostiques
On distingue schématiquement 4 grands domaines
d’application de routine des ultrasons en diagnostic
médical :