Bases physiques de l'échographie

Découvrons ensemble les bases physiques de l’échographie.

Nous verrons les grands principes physiques à connaître sur les ultrasons, puis la structure et le fonctionnement d’une sonde d’échographie et d’un appareil d’échographie.

Une fois ces notions acquises, nous verrons comment choisir la bonne sonde en fonction de l’application.

Le son est une onde mécanique acoustique qui peut se propager dans n’importe quel milieu matériel : gaz, liquide, solide.

Une onde sonore est caractérisée par sa longueur d’onde et sa fréquence.

Un ultrason est une onde sonore dont la fréquence est supérieure à 0,2 MHz, soit 200 000 Hz.

En échographie, on utilise des ultrasons dont les fréquences sont comprises entre 1 MHz et environ 25 MHz en fonction des structures étudiées.

La fréquence d’une onde est le nombre de cycles par seconde.

La longueur d’onde correspond à la distance entre deux crêtes de l’onde. Les ultrasons à haute fréquence ont une longueur d’onde courte.

À l’inverse, les ultrasons de basse fréquence ont une longueur d’onde longue.

L’autre terme à connaître en échographie est la notion d’impédance acoustique.

En traversant le corps, les ultrasons vont interagir de différentes façons en fonction des structures traversées. Le paramètre qui témoigne du comportement des structures lors du passage de l’ultrason est appelé impédance acoustique. 

Plus l’impédance acoustique est faible, moins les ultrasons peuvent passer.

L’air, par exemple, a une impédance acoustique très faible, il ne laisse donc pas passer les ultrasons. C’est d’ailleurs pour cela qu’il est nécessaire d’utiliser du gel échographique entre la sonde et la peau pour que l’air n’empêche pas l’exploration.

Les tissus mous, les muscles, la graisse ont tous une impédance différente, relativement proche de 1. Ils laissent tous plus ou moins passer les ultrasons.

Enfin, certaines structures ont une impédance très élevée, comme l’os par exemple.

Cette impédance acoustique est reliée à la vitesse de propagation des ultrasons. Plus l’impédance des tissus est élevée, plus les ultrasons se déplaceront rapidement dans ces tissus.

Chaque tissu possède une impédance qui lui est propre et donc les ultrasons se déplacent plus ou moins vite dans ces tissus.

Nous verrons plus tard que ce sont ces phénomènes qui permettent d’analyser les ultrasons et de construire l’image échographique.

Une valeur à retenir est la vitesse de propagation moyenne dans les tissus mous, qui est d’environ 1540 mètres par seconde.

Lorsque l’ultrason traverse deux milieux d’impédance acoustique différente, différents phénomènes physiques vont se produire. Ce sont ces phénomènes qui permettront de différencier les différents tissus, lors de la reconstruction de l’image échographique.

Nous n’aborderons pas, dans ce niveau d’initiation, l’intégralité des phénomènes. Nous allons simplement aborder les principaux phénomènes qui sont la réflexion, la réfraction et l’absorption.

Une réflexion

totale ou quasi totale des ultrasons se produit lors de la rencontre de milieux contenant beaucoup d’air ou lorsque l’ultrason traverse deux milieux d’impédance acoustique très différente.

Par exemple une interface entre un tissu mou et un os. À l’interface, la réflexion va produire le renvoi des ultrasons en totalité ou en quasi totalité vers la sonde.

À l’inverse, l’interface entre deux tissus d’impédance acoustique équivalente est propice au passage des ultrasons d’un tissu à l’autre. On parle alors de transmission des ultrasons.

Cette fois-ci, les ultrasons vont traverser la structure et aller plus en profondeur, ils ne sont pas renvoyés vers la sonde.

De la même façon que sur les lois de l’optique, un phénomène de réfraction se produit lorsque les ultrasons arrivent tangentiellement à une structure ou avec un angle par rapport à cette structure.

Le phénomène de réfraction conduit une partie des ondes à être réfractée. Elles ne reviennent donc pas vers la sonde mais ne sont pas non plus transmises en profondeur.

Enfin, certains milieux provoquent une absorption des ultrasons. C’est le cas des tissus cristallins comme l’os. Cette absorption va conduire à un échauffement des tissus, et ces ultrasons ne seront pas non plus renvoyés vers la sonde.

La sonde est composée de plusieurs parties.

Le câble qui relie la tête de la sonde à l’appareil d’échographie et permet l’échange des signaux électroniques

Le corps de la sonde, que vous apprendrez à tenir et manier dans les prochains modules.

Un marqueur d’orientation qui vous permettra de vous repérer dans l’espace et de réaliser vos coupes échographiques en respectant les normes d’orientation.

Et enfin, l’empreinte que l’on pose sur le patient.

À l’intérieur de la sonde, il existe des dizaines, voire des centaines de cristaux appelés cristaux piézoélectriques. Ce sont eux qui permettent la transformation des signaux électroniques en ondes ultrasonores et inversement.

La transformation du signal électronique en onde sonore est appelée effet piézoélectrique inverse.

À l’opposé, La transformation de l’onde sonore en signal électronique est appelée effet piézoélectrique.

Comment le système fonctionne t-il ? Il existe deux temps d’action dans l’interaction de l’appareil avec le corps humain : un temps d’émission et un temps de réception.

Dans le temps d’émission, la machine d’échographie émet une impulsion électrique dans le câble qui va être transmise à la sonde. Les cristaux piézoélectriques stimulés électriquement vont créer une onde ultrasonore qui va traverser le corps et interagir avec les différents tissus rencontrés.

En fonction des différentes interactions, une partie des ondes ultrasonores réfléchies vers la sonde. Ce sont donc les ultrasons réfléchis qui vont être captés par la sonde puis analysés par l’échographe.

Dans le temps de la réception, les ondes ultrasonores réfléchies sont captées par les cristaux piézoélectriques qui vont convertir cette énergie acoustique, cette onde ultrasonore en signal électrique.

Le signal électrique est acheminé via le câble de la sonde au système échographique qui va analyser le signal reçu et le convertir en image.

Lors du fonctionnement de la machine d’échographie, il y a en permanence une multitude de cycles émission réception très rapide.

La machine est capable de fournir une image en analysant les différences d’énergie entre les ondes émises et reçues, et le temps mis par les ondes pour traverser le corps.

Maintenant que les grands principes physiques de l’échographie n’ont plus de secret pour vous, il est temps de choisir la bonne sonde en fonction de l’examen à réaliser.

En imagerie générale, vous disposez habituellement d’au moins deux sondes, une qu’on appelle convexe, avec une empreinte arrondie, et l’autre qu’on appelle linéaire, avec une empreinte rectiligne.

La sonde convexe est une sonde basse fréquence entre 1 et 5 à 7 MHz. Elle délivre des ultrasons qui ont la capacité d’aller en profondeur dans le corps humain, mais avec une définition, une résolution de l’image relativement faible.

La sonde linéaire, elle, est une sonde à haute fréquence, comprises entre 5 et 20 MHz. L’intérêt de ces sondes est d’offrir une définition d’image élevée. En revanche, les sondes à haute fréquence n’ont pas la capacité d’aller loin en profondeur. Ce sont donc des sondes à dédier principalement à l’étude des structures superficielles.