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Echographie et Doppler

L’échographie et le Doppler sont des techniques ultrasonographiques de diagnostic médical.

Le recours aux ultrasons les distingue des autres techniques d’imagerie médicale, car leur usage est indolore, et sans conséquence pour la santé, même si dans quelques rares situations, il existe des normes restrictives à leur utilisation.

L’ultrasonographie apporte, lors du même examen, des renseignements morphologiques (principalement par l’échographie) et fonctionnels (principalement avec le mode Doppler), en temps réel puisque les deux techniques sont regroupées sur une seul et même appareil. Celui se compose d’un jeu de sondes, de formes et de fréquences adaptées à chaque application, d’un écran de visualisation présentant les images et les paramètres d’acquisition, des haut-parleurs transmettant le son en mode Doppler, et un panneau de commande généralement complété d’un clavier alphanumérique. Les commandes sont généralement regroupées autour d’un dispositif de pointage (trackball le plus souvent), avec le choix des différents modes de fonctionnement.

Toutes les techniques ultrasonographiques sont aussi remarquables par leur très haute résolution spatiale (pouvant atteindre le 10e de millimètre avec des sondes de haute fréquence) et leur très haute résolution temporelle (plusieurs dizaines voire centaines d’images par seconde, en fonction du champ et de la profondeur d’exploration), avec des performances très supérieures à l’ensemble des autres techniques.

L’interprétation des images obtenues est réalisée en temps réel pendant l’examen. De fait, ces techniques sont parfois considérées comme « opérateur » dépendantes. Elles le sont, comme toutes les activités médicales, mais cette apparente difficulté s’estompe des lors que les examens sont réalisés par des praticiens ayant bénéficié d’un apprentissage théorique et pratique spécifique, gage de qualité et de reproductibilité des examens.

Les sondes d’échographie

La plupart des sondes échographiques comportent un élément piézoélectrique ou transducteur. Cet élément est à la base de l’émission et de la réception de l’onde ultrasonore qui va se propager et interagir avec les tissus examinés comme un sonar.

Dans leurs applications médicales diagnostiques, les ultrasons utilisés ont une fréquence comprise entre 1 et 15 MHz (jusqu’à 30, voire 50 MHz pour quelques applications spécialisées comme l’échographie endovasculaire). Il ne s’agit donc là que d’une très petite plage de fréquences dans la gamme des ultrasons, qui s’étend de 20 kHz à 200 MHz.

Une source étendue et plane peut par ainsi générer une onde directionnelle, dont le mode de propagation dépend du milieu : dans le corps humain, ce sont essentiellement les ondes longitudinales qui sont exploitées pour la construction de l’image.

Les ondes ultrasonore, telles qu’elles sont produites par les sondes d’ultrasonographie et se propagent dans les tissus, constituent des variations de pression se propageant principalement de façon longitudinale. En tout point, le long de l’axe de propagation, on peut donc mesurer, avec un décalage temporel (déphasage) proportionnel à la distance le séparant de la sonde, des variations cycliques de pression.

L’énergie acoustique, exprimée en intensité (W.cm-2) dans un milieu donné est inversement proportionnelle à la densité (ou masse volumique) et à la vitesse de propagation, laquelle est elle-même dépendante du module d’élasticité et de la densité. L’intensité est donc plus grande si la densité du milieu est faible, et/ou si la vitesse de propagation des ultrasons dans ce milieu est lente (mais la vitesse de propagation est d’autant plus rapide que la densité est faible).

Lorsqu’elle se propage dans les tissus, l’onde ultrasonore rencontre des milieux de caractéristiques physiques différentes. Ces différences peuvent être exprimées en termes de densité (ρ), de vitesse de propagation des ultrasons (C), et d’impédance acoustique (Z). Cette dernière est égale au produit de la densité (masse volumique) par la vitesse de propagation des ultrasons ou célérité. Elle représente la capacité d’un milieu à se laisser déformer par l’onde accoustique pour la propager. L’impédance acoustique de la graisse est ainsi inférieure à celle de l’eau, laquelle est inférieure à celle du cerveau, du rein et du sang. Le muscle présente une impédance acoustique plus grande, et l’impédance est encore beaucoup plus élevée pour l’os.

L’échographie repose sur la réflexion des ultrasons sur les limites virtuelles de séparation entre tissus ou milieux d’impédance acoustiques différente : les « interfaces ». Une interface échographique est donc la surface de séparation de deux milieux (ou tissus) d’impédance acoustique différente. Elle constitue un réflecteur ultrasonore dit « spéculaire » (au sens où ce réflecteur renvoie l’énergie ultrasonore dans une direction déterminée, fonction de l’angle d’incidence du faisceau ultrasonore sur l’interface).

Principe de la construction de l’image en échographie

C’est celui du sonar : une impulsion ultrasonore brève est émise et se propage dans l’eau. Elle est réfléchie sur le fond et revient vers la sonde, où elle est captée et traduite en impulsion électrique. La trace de l’oscilloscope, dont le balayage a été déclenché au moment de l’émission de l’impulsion, marque alors une déflexion verticale. La distance séparant cette déflexion verticale du départ du balayage est proportionnelle à la distance parcourue dans l’eau par l’impulsion ultrasonore. Notons que cette impulsion a parcouru deux fois cette distance : à l’aller et au retour.

Si l’émetteur se déplace, l’écho du fond sous-marin parvient après l’émission avec un délai proportionnel à la profondeur : plus bref si celle-ci décroît, plus long si elle augmente. Connaissant la vitesse de propagation des sons dans l’eau, il est possible de calibrer le balayage horizontal de l’oscilloscope de sorte que la distance sur l’écran entre l’artefact d’émission et le pic signalant l’écho soit proportionnel à la distance parcourue dans l’eau.

Si l’exploration échographique n’est pas limitée à une ligne de l’espace mais “balaie” cet espace dans un plan, ce qui peut être réalisé soit en déplaçant la sonde, soit en commutant plusieurs sondes placées côte à côte, on obtient une image bidimensionnelle en coupe, ou échotomographie. Sur chacune des lignes composant l’image, la position des interfaces rencontrées par le faisceau d’ultrasons est représentée en mode B, par un point de brillance proportionnelle à la réflectivité des interfaces

le mode B (“Brillance”) qui est généralement utilisé pour explorer non plus une dimension de l’espace mais un plan, et réaliser donc des coupes échographiques : c’est l’échographie bidimensionnelle, ou échotomographie. Elle repose donc sur l’utilisation d’une échelle de gris pour représenter l’échogénicité des interfaces, ce qui permet de disposer des deux coordonnées de l’écran (X et Y) pour représenter les deux dimensions de la coupe.

L’image échotomographique est ainsi formée par la juxtaposition de lignes d’exploration successives, dans un même plan. Le déplacement de la ligne d’exploration a d’abord été réalisé manuellement, puis de façon mécanique, et enfin de façon électronique (par commutations successives de groupes de transducteurs), réalisant ce que l’on appelle un « balayage».

Aujourd’hui, la majorité des sondes échographiques repose sur le balayage électronique, c’est-à-dire que le déplacement de la ligne d’exploration n’est pas obtenu par le déplacement mécanique du transducteur, mais par la commutation électronique de transducteurs alignés à la surface de la sonde. Cette surface est, selon le cas, rectiligne (sonde dite « linéaire ») ou convexe (sonde « convexe »). Sur les sondes sectorielles électroniques, la divergence des lignes d’exploration permet d’explorer un secteur de cercle. Une sonde de type sectoriel peut comporter 64 transducteurs, tandis qu’une sonde linéaire peut en comporter jusqu’à près de 300. Chacun des transducteurs piézo-électrique élémentaires est donc de très petites dimensions. Ils ne fonctionnent pas isolément mais par groupes.

Principe du Doppler

En août 1842, Johann Christian Doppler découvre que « la lumière colorée des étoiles et autres corps célestes » vire au bleu lorsque l’étoile se rapproche de la terre et vire au rouge lorsqu’elle s’en éloigne. La modification de couleur résulte d’une modification de longueur d’onde. De même, lorsque deux observateurs sont à égale distance d’une source sonore immobile, ils perçoivent tous deux le même son. Mais, lorsque la source sonore se déplace vers l’un des observateurs et s’éloigne de l’autre, ils perçoivent chacun un son différent.

L’effet Doppler traduit le changement de fréquence d’une onde lorsqu’il y a déplacement relatif de la source de l’onde ou de l’observateur. La fréquence perçue par l’observateur est différente de la fréquence émise : elle augmente si la source ou l’observateur se rapproche, elle diminue en cas contraire. Ainsi, lorsqu’un faisceau d’ultrasons émis par une source rencontre une cible fixe, la fréquence réfléchie par cette cible est identique à la fréquence émise. Quand la cible se déplace, la fréquence réfléchie est différente de la fréquence émise. Cette différence (∆F) entre la fréquence d’émission (Fe) et la fréquence de réception (Fr) s’appelle la fréquence Doppler (Grataloup-Oriez C. et Charpentier A. Principes et techniques de l’échographie-doppler. Encycl Méd Chir (Elsevier, Paris), Radiodiagnostic – Principes et techniques d’imagerie, 35-003-C10, 1999, 10 p).

L’application médicale de l’effet Doppler date des années 1960. Les globules rouges, les globules blancs et les plaquettes sont en mouvement dans nos vaisseaux. Il est possible avec l’effet Doppler de déterminer le sens et la vitesse de déplacement des globules dans les vaisseaux en les prenant pour cible d’une onde émise par la sonde d’échographie, à l’instar de ce que réalisent nos gendarmes avec leur radar pour contrôler la vitesse d’un véhicule sur une route.

Les effets sur la santé de l’échographie

En ultrasonographie médicale, les intensités acoustiques sont le plus souvent de quelques mW ou quelques dizaines de mW par centimètre carré, alors que les effets biologiques ne sont avérés qu’au-delà de 1 W par centimètre carré. Cependant, certains modes d’émission (comme le Doppler à émission pulsée) et certaines applications (comme le Doppler transcrânien) mettent en jeu des intensités relativement élevées impliquant des précautions d’utilisation.

Evolutions de l’échographie

L’ultrasonographie est une technique en perpétuelle, et rapide, évolution. Depuis son émergence des laboratoires et la diffusion de son utilisation clinique (principalement dans les années 1970) de nombreuses techniques et modalités sont apparues, ont progressé, ont été associées ou combinées. Certaines ont disparu, parfois pour réapparaître ultérieurement sous d’autre formes ou avec le bénéfice des progrès technologiques. L’évolution de l’ultrasonographie s’apparente à un arbre phylogénétique, et de nouvelles branches, de nouvelles fleurs, de nouveaux fruits… ne cessent d’apparaître. Le médecin se doit d’en être informé et de les comprendre, pour choisir à bon escient ce qui convient à son utilisation clinique, et en tirer le meilleur parti.


Documentation extraite des cours du Professeur Michel DAUZAT

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